Обработка быстрым джоулевым нагревом углеродных пленок, сформированных осаждением в плазме метана

Практическое применение углеродных наноматериалов стимулирует искать новые методы эффективного синтеза. Одним из таких перспективных методов является способ получения графеноподобных материалов путем быстрого (флэш) джоулева (или омического) нагрева углеродсодержащего прекурсора. В работе представлены результаты исследования воздействия флэш-джоулева нагрева на аморфные углеродные пленки, сформированные осаждением в плазме метана на подложки Si/SiO_2. Нагрев образцов производился путем пропускания тока разряда конденсаторного блока емкостью 180 мФ, заряженных до напряжения от 100 до 300 В. При исследованиях были привлечены методы спектроскопии комбинационного рассеяния, сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии и вольт-амперных характеристик. Выявлено, что наиболее упорядоченной структурой является углеродная пленка после воздействия быстрого джоулева нагрева при напряжении разряда 160 В. Также установлено, что флэш-нагрев приводит к значительному росту электропроводности и повышению гидрофобности материала. Наиболее высокие показатели наблюдались для углеродных пленок после разряда конденсаторного блока, заряженного до напряжения 160 В. Полученные результаты могут быть объяснены переходом исходной аморфной углеродной пленки в кристаллическую структуру с преобладанием sp²-гибридизированных связей, имеющую малое электрическое сопротивление. Причиной возникновения водоотталкивающих свойств может являться «эффект лотоса», вызванный формированием сферических частиц размерами до 1 мкм и их более крупных конгломератов на поверхности пленки. Полученные результаты могут быть использованы для синтеза из аморфного углерода графеноподобных наноматериалов с высокой гидрофобностью и электропроводностью. Материалы с такими характеристиками представляют интерес, в частности, при разработке конструкций всепогодных беспилотных летательных аппаратов.

1. Путилина П.М., Куцевич К.Е., Исаев А.Ю. Полимерные композиционные материалы на основе углеродных и стеклянных волокон для изготовления деталей беспилотных летательных аппаратов и перспективы их развития. Труды ВИАМ. 2023; 126(8):85–99. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2023-0-8-85-99

2. ElFaham M.M., Mostafa A.M., Nasr G.M. Unmanned aerial vehicle (UAV) manufacturing materials: Synthesis, spectroscopic characterization and dynamic mechanical analysis (DMA). Journal of Molecular Structure. 2020;1201:127211. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2019.127211

3. Lyu M.Y., Choi T.G. Research trends in polymer materialsfor use in lightweight vehicles. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2015; 16:213–220. https://doi.org/10.1007/s12541-015-0029-x

4. Zhang J., Lin G., Vaidya U., Wang H. Past, present and future prospective of global carbon fibre composite developments and applications Composites Part B: Engineering. 2023;250:110463. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110463

5. Agarwal N., Rangamani A., Bhavsar K., et al. An overview of carbon-carbon composite materials and their applications. Frontiers in Materials. 2024;11: 1374034. https://doi.org/10.3389/fmats.2024.1374034

6. Mishnaevsky Jr.L., Branner K., Petersen H.N., et al. Materials for wind turbine blades: An overview. Materials. 2017;10(11):1285. https://doi.org/10.3390/ma10111285

7. Li J., Yin D., Qin Y. Carbon materials: structures, properties, synthesis and applications. Manufacturing Review. 2023;10:13. https://doi.org/10.1051/mfreview/2023011

8. Meunier V., Souza Filho A.G., Barros E.B., Dresselhaus M.S. Physical properties of low-dimensional sp 2-based carbon nanostructures Reviews of Modern Physics. 2016;88(2):025005. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.88.025005

9. Titirici M.M., White R.J., Brun N., et al. Sustainable carbon materials. Chemical Society Reviews.2015;44(1): 250–290. https://doi.org/10.1039/C4CS00232F

10. Дроздов М.Н., Дроздов Ю.Н., Охапкин А.И. и др. Анализ углеродсодержащих материалов методом вторично-ионной масс-спектрометрии: содержание атомов углерода в sp2 - и sp3 -гибридных состояниях. Письма в Журнал технической физики. 2020;46(6):38– 42. https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.06.49164.18151

11. Papageorgiou D.G., Kinloch I.A., Young R.J. Mechanical properties of graphene and graphene-based nanocomposites. Progress in Materials Science. 2017;90: 75–127. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.07.004

12. Hina M., Kamran K., Bashir S., et al. Extra ordinary properties of graphene. In: Subramaniam R.T., Kasi R., Bashir S., Kumar S.S.A. (eds) Graphene. Engineering Materials. Singapore; Springer; 2023, pp. 21–52. https://doi.org/10.1007/978-981-99-1206-3

13. Kumar A., Sharma K., Dixit A.R. A review of the mechanical and thermal properties of graphene and its hybrid polymer nanocomposites for structural applications. Journal of Materials Science. 2019;54(8):5992– 6026. https://doi.org/10.1007/s10853-018-03244-3

14. Ji X., Xu Y., Zhang W., et al. Review of functionalization, structure and properties of graphene/polymer composite fibers. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2016;87:29–45. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.04.011

15. Luong D.X., Bets K.V., Algozeeb W.A., et al. Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis. Nature. 2020;577(7792):647–651. https://doi.org/10.1038/s41586-020-1938-0

16. Sun Z., Hu Y.H. Ultrafast, low‐cost, and mass production of high‐quality graphene. Angewandte Chemie International Edition. 2020;59(24):9232–9234. https://doi.org/10.1002/anie.202002256

17. Algozeeb W.A., Savas P.E., Luong D.X., et al. Flash graphene from plastic waste. ACS nano. 2020;14(11): 15595–15604. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c06328

18. Deng B., Eddy L., Wyss K.M., et al. Flash Joule heating for synthesis, upcycling and remediation. Nature Reviews Clean Technology. 2025;1:32–54. https://doi.org/10.1038/s44359-024-00002-4.

19. Kokmat P., Surinlert P., Ruammaitree A. Growth of high-purity and high-quality turbostratic graphene with different interlayerspacings. ACS Omega. 2023(8):4010– 4018. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c06834

20. Wyss K.M., Luong D.X., Tour J.M. Large‐scale syntheses of 2D materials: flash joule heating and other methods. Advanced Materials. 2022;34(8):2106970. https://doi.org/10.1002/adma.202106970

21. Wyss K.M., De Kleine R.D., Couvreur R.L., et al. Upcycling end-of-life vehicle waste plastic into flash graphene. Communications Engineering. 2022;1(1):3. https://doi.org/10.1038/s44172-022-00006-7

22. Wyss K.M., Li J.T., Advincula P.A., et al. Upcycling of waste plastic into hybrid carbon nanomaterials. Advanced Materials. 2023;35(16):2209621. https://doi.org/10.1002/adma.202209621

23. Eddy L., Luong D.X., Beckham J.L., et al. Automated laboratory kilogram‐scale graphene production from coal. Small Methods. 2024;8(3):2301144. https://doi.org/10.1002/smtd.202301144

24. Huang P., Zhu R., Zhang X., Zhang W. Effect of free radicals and electric field on preparation of coal pitch-derived graphene using flash Joule heating. Chemical Engineering Journal. 2022;450:137999. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137999

25. Stanford M.G., Bets K.V., Luong D.X., et al. Flash graphene morphologies. ACS Nano. 2020;14(10):13691– 13699. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05900

26. Advincula P.A., Luong D.X., Chen W., et al. Flash graphene from rubber waste. Carbon. 2021;178:649– 656. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.03.020

27. Прокопьев А.Р., Васильева Е.Д., Лоскин Н.Н., Попов Д.Н. Получение быстрым джоулевым нагревом углеродных графенсодержащих порошков и их применение в качестве модификаторов для стекловолокна. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2024;29(4):651–660. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2024-29-4-651-660

28. Kanel G.I., Razorenov S.V., Baumung K., et al. Dynamic yield and tensile strength of aluminum single crystals at temperatures up to the melting point. Journal of Applied Physics. 2001;90(1):136–143. https://doi.org/10.1063/1.1374478

29. Ferrari A.C., Robertson J. Resonant Raman spectroscopy of disordered, amorphous, and diamondlike carbon. Physical Review B. 2001;64(7):075414. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.075414

30. Casiraghi С., Ferrari A.C., Robertson J. Raman spectroscopy of hydrogenated amorphous carbons. Physical Review B. 2005;72(8):085401. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.085401

31. Ferrari A.C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon Physical Review B. 2000;61(20):14095. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.14095

32. Ferrari A.C., Basko D.M. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nature Nanotechnology. 2013;8(4):235–246. https://doi.org/10.1038/nnano.2013.46

33. Тимофеева Т.Е., Неустроев Е.П., Попов В.И. и др. Применение вейвлет-преобразований к анализу компонентов 2D-пика рамановского спектра трех- и четырехслойного графена. Оптика и спектроскопия. 2018;125(5):588–594. https://doi.org/10.21883/OS.2018.11.46815.153-18

34. Liu X., Luo H. Preparation of coal-based graphene by flash joule heating. ACS Omega.2024;9(2):2657–2663. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c07438

35. Patankar N.A. Mimicking the lotus effect: influence of double roughness structures and slender pillars. Langmuir. 2004;20(19):8209–8213. https://doi.org/10.1021/la048629t

36. Randviir E.P., Brownson D.A., Gómez-Mingot M., et al. Electrochemistry of Q-graphene. Nanoscale. 2012; 4(20):6470–6480. https://doi.org/10.1039/C2NR31823G

37. Neustroev E.P., Prokopiev A.R., Popov V.I., et al. Optical properties of thin films formed by carbon deposition in methane plasma and subsequent annealing AIP Conference Proceedings. 2021;2328(1):050017. https://doi.org/10.1063/5.0042175