Графеновые пленки, выращенные методом химического осаждения из газовой фазы, и их приложения

В статье приведены результаты по синтезу графеновых пленок и показаны возможности их приложения для создания электронных структур и приборов. Графеновые пленки были синтезированы на медных подложках методом химического осаждения из газовой фазы при высоких температурах ~ 1050 °С в результате разложения метана. Показано, что на начальном этапе синтеза формируются графеновые домены с гексагональными формами со средними размерами ~10 мкм. С увеличением времени синтеза происходит сшивка доменов, в результате которой формируются поликристаллические сплошные графеновые пленки. На основе выращенных графеновых пленок были созданы гибкие прозрачные проводящие сенсорные панели. Для их создания использовался метод ламинирования, позволяющий переносить графеновые пленки с медной фольги на полимерные подложки. Был изготовлен лабораторный сенсорный экран, где графеновая пленка выступала в качестве емкостного сенсора касания. Также на основе перенесенных графеновых пленок были созданы проводящие прозрачные электроды для фоточувствительного элемента и резистивные сенсоры влажности. Графеновый сенсор влажности является малоинерционным, имеет высокую температурную стабильность и высокую надежность использования.

1. Gayduchenko I., Xu S.G., Alymov G., et al. Tunnel field-effect transistors for sensitive terahertz detection. Nature communications. 2021;12(1):543. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20721-z

2. Xu Y., Liu J. Graphene as transparent electrodes: fabrication and new emerging applications. Small. 2016; 12(11):1400–1419. https://doi.org/10.1002/smll.201502988

3. Melios C., Giusca C.E., Panchal V., et al. Water on graphene: review of recent progress. 2D Materials. 2018; 5(2):022001. https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa9ea9

4. Zhuo C., Wang J., Wang Y. Strategies for the performance enhancement of graphene-based gas sensors: A review. Talanta. 2021;235:122745. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2021.122745

5. Kairi M.I., Khavarian M., Bakar S.A., et al. Recent trends in graphene materials synthesized by CVD with various carbon precursors. Journal of Materials Science. 2018;53(2):851–879. https://doi.org/10.1007/s10853-017-1694-1

6. Edwards R.S., Coleman K.S. Graphene film growth on polycrystalline metals. Accounts of chemical research. 2013;46(1):23–30. https://doi.org/10.1021/ar3001266

7. Arkhipov V.E., Gusel′nikov A.V., Popov K.M., et al. Optimization of parameters of graphene synthesis on copper foil at low methan pressure. Journal of Structural Chemistry. 2018;59:759–765. https://doi.org/10.1134/S0022476618040029

8. Liu F., Li. P., An H., et al. Achievements and challenges of graphene chemical vapor deposition growth. Advanced Functional Materials. 2022;32(42):2203191. https://doi.org/10.1002/adfm.202203191

9. Yan Z., Lin J., Peng Z., et al. Toward the synthesis of wafer-scale single-crystal graphene on copper foils. ACS nano. 2012;6(10):9110-9117. https://doi.org/10.1021/nn303352k

10. Jiang B., Pan M., Wang C., et al. Morphology engineering and etching of graphene domain by low-pressure chemical vapor deposition. Journal of Saudi Chemical Society. 2019;23(2):162–170. https://doi.org/10.1016/j.jscs.2018.06.001

11. Murdock A.T., Koos A., Britton T.B., et al. Controlling the orientation, edge geometry, and thickness of chemical vapor deposition graphene. Acs Nano. 2013;7(2): 1351–1359. https://doi.org/10.1021/nn3049297

12. Jacobberger R.M., Arnold M.S. Graphene growth dynamics on epitaxial copper thin films. Chemistry of Materials. 2013;25(6):871–877. https://doi.org/10.1021/cm303445s

13. Deng B., Liu Z., Peng H. Toward mass production of CVD graphene films. Advanced Materials. 2019;31(9): 1800996. https://doi.org/10.1002/adma.201800996

14. Ullah S., Yang X., Ta H.Q., et al. Graphene transfer methods: A review. Nano Research. 2021;14:3756– 3772. https://doi.org/10.1007/s12274-021-3345-8

15. Song Y., Zou W., Lu Q., et al. Graphene transfer: Paving the road for applications of chemical vapor deposition graphene. Small. 2021;17(48):e2007600. https://doi.org/10.1002/smll.202007600

16. Hong N., Kireev D., Zhao Q., et al. Roll‐to‐Roll Dry Transfer of Large‐Scale Graphene. Advanced Materials. 2022,34(3):e2106615. https://doi.org/10.1002/adma.202106615

17. Suriani A.B., et al. Synthesis, transfer and application of graphene as a transparent conductive film: a review. Bulletin of Materials Science. 2020;43:310. https://doi.org/10.1007/s12034-020-02270-9

18. Xu Y., Yu H., Wang C., et al. Multilayer graphene with chemical modification as transparent conducting electrodes in organic light-emitting diode. Nanoscale research letters. 2017;12(1):254. https://doi.org/10.1186/s11671-017-2009-9

19. Kong X., Zhang L., Liu B., et al. Graphene/Si Schottky solar cells: a review of recent advances and prospects. Royal Society of Chemistry Advances. 2019; 9(2):863–877. https://doi.org/10.1039/C8RA08035F

20. Das S., Pandey D., Thomas J., Roy T. The role of graphene and other 2D materials in solar photovoltaics. Advanced Materials. 2019;31(1):e1802722. https://doi.org/10.1002/adma.201802722

21. Smith A.D., Elgammal K., Niklaus F., et al. Resistive graphene humidity sensors with rapid and direct electrical readout. Nanoscale. 2015;7(45):19099–19109. https://doi.org/10.1039/C5NR06038A

22. Lv C., Hu C., Luo J., et al. Recent advances in graphene-based humidity sensors. Nanomaterials (Basel). 2019;9(3):422. https://doi.org/10.3390/nano9030422

23. Liang R., Luo A., Zhang Z., et al. Research progress of graphene-based flexible humidity sensor. Sensors (Basel). 2020;20(19):5601. https://doi.org/10.3390/s20195601

24. Cui N., Wang F., Ding H. Acetic acid and ammonium persulfate pre-treated copper foil for the improvement of graphene quality, sensitivity and specificity of hall effect label-free DNA hybridization detection. Materials (Basel). 2020;13(7):1784. https://doi.org/10.3390/ma13071784