Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха совместно с зарубежными коллегами впервые изучили механизм лазерного восстановления оксида графена с использованием видимого света. Ранее аналогичные процессы исследовались только в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Результаты показали, что восстановление оксида графена под воздействием видимого света не является в основном фототермическим, как считалось ранее, и включает фотохимические процессы. Это открывает путь для изменения свойств материала не нагревая его, а применяя простую и более доступную оптику для восстановления оксида графена.
Исследование проводилось при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 22-12-20027 и администрации Томской области. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Communications (Q1; IF: 14,7).
Оксид графена — один из наиболее перспективных материалов для применения в различных сферах, от гибкой электроники до передовых нанотехнологий. Ключевым методом использования потенциала материала является его лазерное восстановление. При этом точные механизмы — фототермические и фотохимические эффекты — остаются не до конца изученными. В настоящий момент в научной литературе описаны процессы, происходящие в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне.
Ученые научной группы TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий получили уникальный набор данных, описывающий, что происходит с оксидом графена под видимым лазерным облучением от 400 до 800 нанометров, при воздействии фотонов разных длин волн, которые имеют разную энергию. Для этого пришлось решить непростую задачу измерения температуры в процессе лазерной обработки в малой области, что было сделано с помощью термометрии методом комбинационного рассеяния света. Это позволило отследить в динамике процесс изменений, происходящих с материалом.
В ходе экспериментов политехники нанесли оксид графена на стеклянную подложку, после чего подвергли его лазерно-индуцированному восстановлению путем изменения длины волны лазера от видимого до ближнего инфракрасного диапазонов спектра. Наблюдая процесс в динамике, ученые обнаружили доминирующую роль фотохимического механизма под влиянием видимого света, который характеризуется отделением гидроксильных групп.
«Процесс восстановления оксида графена обусловлен отщеплением функциональных групп. При обработке инфракрасным излучением, которое является низкоэнергетическим, фотон не может «самостоятельно» запустить химическую реакцию — это происходит через нагрев оксида графена инфракрасным светом. В ультрафиолетовом спектре фотон имеет достаточную энергию, чтобы напрямую разрушать связи. Мы же исследовали видимый диапазон и обнаружили, что под воздействием видимого света в динамике падает интенсивность люминесценции, что является признаком удаления функциональных групп и сопровождается изменением потенциала поверхности материала и других свойств. Анализируя такое поведение и используя методы, позволяющие измерять температуру с высоким пространственным разрешением, мы показали, что можно оксид графена восстанавливать в том числе фотохимически», — комментирует профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Евгения Шеремет.
Ученые подчеркивают, что фотохимическое отщепление кислородсодержащих групп ниже пороговой температуры восстановления является решающим фактором в восстановлении оксида графена. Это приводит к особым характеристикам, которые нельзя воспроизвести только путем нагревания. В частности, использование видимого света позволяет разрабатывать микроструктуры из оксида графена, восстановленные лазером, которые необходимы для большинства применений.
«Полученные фундаментальные результаты в перспективе позволят создавать платформы для материалов следующего поколения, совместимых с промышленными масштабами. Кроме того, возможность восстановления оксида графена под воздействием видимого света открывает путь для использования более доступной и распространенной оптики по сравнению с аналогичным процессом в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах», — подчеркивает Евгения Шеремет.