Интеркалирование графита на поверхности калия

PHYSICO-MATHEMATICAL SCIENCES

Intercalation of graphite on the surface of potassium Starov D.1, Doroshina Z.2, Nekhoroshev A.3 (Russian Federation) Интеркалирование графита на поверхности калия

1 2 3

Старов Д. В. , Дорошина З. Н. , Нехорошев А. В.

1Старое Дмитрий Владимирович / Starov Dmitry - старший преподаватель, кафедра электротехники, электроники и автоматики;

2Дорошина Зинаида Николаевна /Doroshina Zinaida - магистрант;

3Нехорошев Алексей Витальевич /Nekhoroshev Alexey - студент, физико-технический факультет, Астраханский государственный университет, г. Астрахань

Аннотация: в своей статье авторы рассматривают интеркалирование графита на поверхности калия. В статье проанализировано получение интеркалированного графита гидролизом интеркалированных соединений графита (ИСГ) с азотной или серной кислотой. Исследовали ионную вспышку и «нейтральную»; когда десорбирующиеся атомы ионизируются электронным ударом. Произвели расчет концентрации атомов калия, и диагностировали сравнительный анализ расчетных данных с экспериментальными. Также в данной статье было рассмотрено формирование фазы адсорбированным на монослое графита калием, который десорбировали при Т 900 К и Т1200 К.

Abstract: in their article authors contemplate intercalation graphite on a surface potassium. In article analyze getting intercalation graphite hydrolysis intercalation compound graphite with nitrogen or sulfuric acid. Researched the ionic flashout and "neutral" when desorbing atoms are ionized by electronic shock. Made calculation of concentration of atoms of potassium, and diagnosed the comparative analysis of calculated data with the experimental. Also in this article formation of a phase was considered by the potassium adsorbed on a graphite monolayer which was desorbirovate in case of T 900 K and T1200 K.

Ключевые слова: графен, интеркалирование, калий, монослой графита. Keywords: graphene, intercalation, potassium, monolayer graphite.

Мы все чаще слышим слова нанонаука, нанотехнология, наноструктурированные материалы и объекты. Отчасти они уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической политики в развитых странах [1].

Нанотехнологи по всему миру пытаются изобрести способ производства наноматериала графена в промышленных масштабах, необходимых для индустрии. Графен рассматривается как материал, потенциально способный заменить медь и кремний и служить одним из основных материалов в наноэлектронике [2].

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита [3].

Одним из популярных методов получения графена является химический метод. Химический способ заключается в интеркалировании графита на поверхности веществ, которые обладают большей энергии взаимодействия с графеновыми слоями, чем силы Ван-дер-ваальса между слоями. После интеркаляции расстояние между слоями в графите увеличиваются, что упрощает разделять слои при помощи механического воздействия.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения [4].

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность [4] — способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз — это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю.

Для получения интеркалированного графита осуществляют ряд превращений по цепочке. Интеркалированный графит, традиционно получают гидролизом интеркалированных соединений графита (ИСГ) с азотной или серной кислотой. Быстрое развитие современной промышленности требует разработки новых углеродных материалов, в том числе с низкой температурой вспенивания и развитой удельной поверхностью для изготовления эффективных сорбентов нефтепродуктов и изделий с высокими прочностными свойствами. В связи с этим представляется актуальным изучение реакции интеркалирования графита в системах H2SOA (.НШ3)-Ь, где L = Н20, С2Н5ОН, НСООН, СЩСООН, С2Н5СООН, а также выяснение влияния природы L на характер образования и свойства синтезируемых соединений. Несомненно, перспективной задачей является исследование процесса получения ИГ в разбавленных растворах HNOs с применением единственно возможного в этих условиях электрохимического метода и определение характеристик нового продукта. Особый интерес представляет разработка методов допирования ПГ оксидами металлов (М, Со, А^) для расширения области применения углеродных материалов данного типа.

Адсорбцию атомов калия на монослое графита на иридии, который был в [5, 6] в виде тонких текстурированных гранью (111 лент) с работой выхода = 5,75 эВ, изучали в условияхсверхвысокого вакуума. Монослой графита образно вызывали экспозицией нагретого до 1600 К иридия в бензоле. Отметим, что в иридии поверхностный углерод не растворяется, но десорбируется при Т=2000 К. Поверхность анализировали электронной оже-спектроскопией (ЭОС) высокого разрешения и термо-десорбционной спектроскопией (ТДС) в варианте «ионной» вспышки с регистрацией ионов К+, в которые с высокой 100% эффективностью механизмом поверхностной ионизации [7] трансформируются атомы К при десорбции, увеличивая в ~ 103раз чувствительность регистрации (работа выхода монослоя графита на иридии = 4,45 эВ). Использовали также и «нейтральную» вспышку, когда десорбирующиеся атомы ионизируются электронным ударом. Если на монослой графита на нагретом иридии напылить атомы К, а затем произвести «ионную» вспышку до 2200 К. то в ТД спектре наблюдаются 3 фазы. Оказалось, что фаза формируется адсорбированным на монослое графита калием, который десорбируется при Т 900 К. Малая по адсорбционной емкости фаза формируется атомами К, декорирующими края графитовых островков, которые десорбируются при Т 1200 К (в согласии с результатами работы [8]). Совершенно необычная фаза, калий из которой десорбировался при рекордно высоких Т> 2000 К, формировалась калием, расположенным под монослоем графита в интеркалированном состоянии. В [9] приведены доказательства того, что калий в фазе действительно расположен под монослоем графита (так, например, К из фазы ослабляет оже-пикиридия, но не уменьшает оже-пик углерода). В заполнении и фаз наблюдалась определенная последовательность. Сначала заполняются и фазы. После достижения на поверхности графитового слоя концентрации калия ~5  1011см~2 одновременно с заполнением и фаз начинается заполнение фазы.

Оказалось, что расчетная концентрация N=t атомов калия, поступивших на лицевую сторону иридиевой ленты, вдвое превышает реальную концентрацию адатомов калия на ней (рис.1). Следовательно, уже при 300 К адатомы калия эффективно мигрируют по монослою графита и делятся поровну между двумя сторонами ленты, заполняя на обратной ее стороне и фазы с. Введем эффективность интеркалирования, как долю от падающих на монослой графита частиц, которые проникают под него. Тогда при адсорбции калия на 1г — С при 300 К эффективность интеркалирования велика и равна 0,5. В области 300 < Г < 500 К достигается максимально возможное заполнение фазы с ~ 3  1014см"2, которое не зависит от ^ а эффективность интеркалирования равна 0,5. При высоких 900< Т< 1600 К эффективность интеркалирования уменьшается до ~ 5 10"4 и практически независит от температуры, причем прямо пропорционально и времени экспозиции. Видимо, ~ 5 10"4 представляет долю поверхности, занятую краями графитовых островков, с которой

9

напыляемые на поверхность атомы переходят в интеркалированное состояние. Зная в конце адсорбции К на1г — С при 300 К емкости = 3 • 1 0 14 можно независимо оценить долю поверхности, занятую краями графитовых островков, как 6  1 0 " 4, что близко к величине ~5  10 " 4. Из величин и, положив диаметр адатома калия а = 3, можно оценить радиус графитового островка и их концентрацию.

16г

12-1-1-

0 5 10 15

Т

Рис. 1. Адсорбция атомов калия на монослое графита на иридии при Т— 300К

Можно ожидать, что содержащиеся в обзоре результаты и развитые физические представления, связанные с интеркалированием калия двумерной графитовой пленки на металлах, окажутся полезными при изучении новых углеродных материалов, базирующихся на недавно открытом семействе чисто углеродных молекул фуллеренов [10]. Так, например, они важны для понимания транспорта атомов по поверхности углеродных нанотрубок, прямолинейная часть которых построена из графитовых шестиугольников, а криволинейная — из смеси шестиугольников и пятиугольников и, вероятно, имеет фуллереновое строение.

Литература

1. Осипьян Ю. А., Кведер В. В. Материаловедение, 1997. 376 с.

2. Chen Zh. et al. Graphene Nano-Ribbon Electronics Physica E 40, 2007. 228 с.

3. Wallace P. R. «The Band Theory of Graphite». Phys. Rev. 71, 1947. 622 p.

4. Абрамзон А. А., Гаевой Г. М. Поверхностно-активные вещества. Л.: Химия, 1979. 376 с.

5. DresselhausM. S., Dresselhaus G. Advan. Phys., 1981. 30. 139 p.

6. Intercalation in Layered Materials. Ed. M. S. Dresselhaus. NATO ASI. Physics B., 1986. 148 p.

7. Ионов Н. И., Зандберг Э. Я. Поверхностная ионизация. М. Наука, 1969. 432 с.

8. Зандберг Э. Я., Назаров Э. Н., Расулев У. Х., Рутьков Е. В., Тонтегоде А. Я. ЖТФ, 1982. № 52. 746 с.

9. Kholin N. A., Rut'kov E. V., Tontegode A. Ya. Surf. Sci., 1984. 139 p.

10. Елецкий А. В., Смирнов Б. М. УФН, 1993. 163 с.