Воздействие быстрого джоулева нагрева на свойства углеродных пленок, сформированных осаждением в плазме метана

Быстрый джоулев нагрев аморфных углеродных пленок, сформированных осаждением в плазме метана, производился электрическим разрядом батареи конденсаторов общей емкостью 180 мФ, заряженных до напряжения от 100 до 300 В. Для исследований привлечены методы спектроскопии комбинационного рассеяния света, сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии и вольт-амперных характеристик. В спектрах комбинационного рассеяния света образцов после джоулева нагрева отчетливо проявляются G-, 2D- и D-пики, характерные для графеновых структур с sp²-гибридизированными связями. Анализ спектров показал, что  отношение интенсивностей 2D- и G-пиков и D- и G-пиков свидетельствует о высоком  качестве формируемых чешуек плоских структур турбостратного графена. Наиболее эффективным, с точки зрения формирования однослойных графенов, оказался джоулев, проведенный в результате протекания через углеродную пленку тока разряда конденсаторов, заряженных до напряжения U=160 В. Методами электронной микроскопии установлено, что быстрый термический нагрев при электрическом разряде приводит к значительной трансформации состояния атомарно-гладкой поверхности аморфной углеродной пленки. В результате на поверхности образуются сферические частицы размерами около 1 мкм, которые имеют зернистую структуру с размерами зерен около 100 нм. С другой стороны, сферические частицы собираются в агломерации размерами до нескольких единиц микрометров. Элементный анализ, проведенный методом энергодисперсионной спектроскопии, помимо углерода, показал высокое содержание кислорода в сферических частицах. Наиболее вероятной причиной данного явления может являться поглощение кислорода сформированными графеновыми чешуйками. Исследования смачиваемости поверхности образцов до и после джоулева нагрева  показали повышение гидрофобности. Причиной возникновения водоотталкивающих свойств может являться «эффект лотоса», вызванный формированием сферических  частиц размерами до 1 мкм и их более крупных конгломератов на поверхности пленки. Обнаружено кардинальное уменьшение электрического сопротивления исходной  аморфной пленки от значений, соответствующих изолятору (R > 1 ТОм), до единиц кОм  на квадрат поверхности. Увеличение электропроводности объясняется переходом  углерода из аморфного состояния в электропроводящую графеноподобную структуру.

1. Aslan N. Structural, photovoltaic and optoelectronic properties of graphene–amorphous carbon nanocomposite. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2021;32(12):16927-16936.

2. Wyss KM, Luong DX, Tour JM. Large-scale syntheses of 2D materials: flash joule heating and other methods. Advanced materials. 2022;34(8):2106970.

3. Luong DX, Bets KV, Stanford MG, et al. Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis. Nature. 2020;577(7792):647-651.

4. Advincula PA, Luong DX, Chen W, et al. Flash graphene from rubber waste. Carbon. 2021;178: 649-656.

5. Choi CHW, Shin J, Eddy L, et al. Flash-within-flash synthesis of gram-scale solid-state materials. Nature Chemistry. 2024;16(11):1831-1837.

6. Deng B, Eddy L, Wyss KM, et al. Flash Joule heating for synthesis, upcycling and remediation. Nature Reviews Clean Technology. 2025;1(1):32-54.

7. Бобенко Н.Г., Чумаков Ю.А., Белослудцева А.А. Особенности адсорбции фтора и водорода на поверхности турбостратного графена. Химическая физика и мезоскопия. 2022;24(1):69-81.

8. Sun Z, Hu YuH. Ultrafast, low-cost, and mass production of high-quality graphene. Angewandte Chemie International Edition. 2020;59(24):9232-9234.

9. Liu X, Luo H. Preparation of Coal-Based Graphene by Flash Joule Heating. ACS omega. 2024;9(2):2657-2663.

10. Stanford MG, Bets KV, Luong DX, et al. Flash graphene morphologies. ACS nano. 2020;14(10):13691-13699.

11. Chen W, Li JT, Wang Zhe, et al. Ultrafast and Controllable Phase Evolution by Flash Joule Heating. ACS Nano. 2021;15(7):11158-11167.

12. 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.

13. Kim T, Lee J, Lee KH. Full graphitization of amorphous carbon by microwave heating. RSC advances. 2016;6(29):24667-24674.

14. Ferrari AC, Robertson J. Resonant Raman spectroscopy of disordered, amorphous, and diamondlike carbon. Physical Review B. 2001;64(7):075414.

15. Casiraghi С, Ferrari AC, Robertson J. Raman spectroscopy of hydrogenated amorphous carbons. Physical Review B. 2005;72(8):085401.

16. Wu JB, Lin ML, Cong X, et al. Raman spectroscopy of graphene-based materials and its applications in related devices. Chemical Society Reviews. 2018;47(5):1822-1873.

17. Beams R, Cançado LG, Novotny L. Journal of Physics: Condensed Matter. 2015;27(8):083002.

18. Neustroev EP, Prokopiev AR, Popov VI, et al. Optical properties of thin films formed by carbon deposition in methane plasma and subsequent annealing. AIP Conference Proceedings. 2021;2328(1):050017.

19. Zhang Ch, Liang F, Zhang W, et al. Constructing mechanochemical durable and self-healing superhydrophobic surfaces. ACS omega. 2020;5(2):986-994.