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    Le fluor accélère la croissance des matériaux bidimensionnels

    Diagrammes schématiques de la conception expérimentale pour l'introduction locale de fluor pour la croissance du graphène. Crédit :IBS

    En 2004, la communauté des physiciens commençait tout juste à reconnaître l'existence d'un matériau véritablement bidimensionnel (2D), graphène. Avance rapide jusqu'en 2019, et les scientifiques explorent un large éventail de matériaux 2D pour découvrir davantage de leurs propriétés fondamentales. La frénésie derrière ces nouveaux matériaux 2D réside dans leurs propriétés fascinantes :les matériaux réduits à quelques atomes seulement fonctionnent très différemment des matériaux 3D. Les électrons emballés dans la couche la plus mince jamais produite présentent des caractéristiques distinctives en plus d'être dans un « filet lâche ». Etant également flexible, Les matériaux 2-D pourraient présenter des propriétés électriques distinctives, ouvrant de nouvelles applications pour les technologies de nouvelle génération telles que les appareils pliables et portables.

    Puis, quel est le piège ? De nombreux paramètres tels que la température, pression, le type de précurseur et le débit doivent être pris en compte dans la synthèse CVD de matériaux 2D. Avec de multiples réactions impliquées, il est extrêmement difficile d'optimiser tous ces facteurs lors des réactions et de trouver leurs meilleures combinaisons. Cela étant dit, La synthèse de matériaux 2D est difficile à contrôler. Les scientifiques ont tenté d'accélérer la croissance des matériaux 2D en adoptant différents substrats, matières premières et température. Toujours, seuls quelques types de matériaux 2D peuvent être synthétisés en grande surface, films de haute qualité.

    Des scientifiques du Centre des matériaux carbonés multidimensionnels (CMCM), au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST) et des collaborateurs ont démontré que le fluor, ayant la plus forte tendance à attirer les électrons (c'est-à-dire l'électronégativité) dans tous les éléments, peut accélérer la réaction chimique pour faire croître trois matériaux 2-D représentatifs; graphène, h-BN, et WS2. Le fluor ne nécessite qu'un seul électron pour atteindre une stabilité élevée. Aussi, ayant sept électrons dans l'orbite la plus externe d'un atome, la distance à laquelle ces électrons de valence résident est le minimum par rapport aux autres éléments. Cela signifie que les électrons de valence du fluor sont liés à l'atome plus fortement que tout autre atome, faisant du fluor l'élément le plus actif du tableau périodique.

    Illustration schématique de la croissance locale du graphène modulée par le fluor. Crédit :IBS

    En réalité, les gaz actifs tels que l'hydrogène ou l'oxygène sont largement utilisés pour régler la croissance du graphène et d'autres matériaux 2-D. "Pourquoi pas alors l'élément le plus actif, fluor? L'électronégativité la plus élevée permet au fluor de former des liaisons avec presque tous les atomes du tableau périodique, on s'attend donc à ce qu'il modifie les voies de réaction de nombreux processus chimiques, " a déclaré le professeur Feng Ding, l'auteur correspondant de cette étude.

    Expérimentalement, il n'est pas préférable d'introduire du fluor lors de la croissance d'un matériau, car le fluor devient hautement toxique dans le réacteur. Pour résoudre le problème, au lieu d'utiliser directement du fluor gazeux, les scientifiques ont limité spatialement l'approvisionnement en fluor afin que seule la quantité minimale de fluor soit consommée. Ils ont placé un substrat de fluorure métallique (MF 2 ) sous une feuille de Cu avec un espace très étroit entre les deux. A haute température, les radicaux fluor sont libérés de la surface du fluorure et piégés spatialement dans l'espace étroit entre la feuille de Cu et le substrat de fluorure métallique. Étonnamment, un changement aussi simple conduit à un taux de croissance record du graphène à 12 mm par minute. Pour mettre ce taux en perspective, cette nouvelle approche réduit le temps de croissance d'un 10 cm 2 graphène à partir de 10 minutes avec les méthodes précédentes, maintenant à seulement trois minutes.

    L'introduction locale de fluor modifie totalement la voie de décomposition du méthane. Comme le fluor libéré par la surface du fluorure métallique réagit facilement avec le méthane gazeux, il y aura une quantité suffisante de CH 3 F ou CH 2 F 2 molécules dans l'espace entre Cu et BaF 2 substrats. Ces molécules pourraient se décomposer sur une surface de Cu beaucoup plus facilement que le CH4. En d'autres termes, ils alimentent mieux la croissance du graphène en fournissant plus de radicaux de charbon actif (c'est-à-dire CH 3 , CH 2 , CH et C).

    Images SEM de domaines de graphène en croissance. Ils ont montré que 2 secondes suffisaient pour qu'un domaine atteigne environ 400 m et que des domaines d'environ 1 mm se formaient après 5 secondes. Le taux de croissance statistique est plus de trois ordres de grandeur plus rapide que la croissance typique du graphène et trois fois plus rapide que le précédent record réalisé avec un apport continu d'oxygène. Crédit :IBS

    D'autres études expérimentales ont montré que la stratégie locale d'approvisionnement en fluor pouvait considérablement accélérer la croissance d'autres matériaux 2D tels que le h-BN et le WS2, également. Les scientifiques ont étudié comment le fluor confiné dans l'espace est capable d'accélérer la croissance des matériaux 2D. Des études théoriques ont révélé que le fluor, étant très réactif, interagit facilement avec les molécules de méthane. L'existence du fluor conduit à la formation de CH 3 F ou CH 2 F 2 molécules. Ces molécules hautement actives peuvent alors être plus facilement décomposées à la surface de la feuille de Cu, ce qui accélère considérablement l'approvisionnement en carbone pour une croissance rapide du graphène.

    Bien que le mécanisme détaillé du fluor stimulant la croissance de h-BN et de WS2 ne soit pas clair, les auteurs sont convaincus que la présence de fluor pourrait modifier de manière significative les réactions de croissance des matériaux 2-D. « Nous prévoyons que cet approvisionnement local en fluor facilitera facilement la croissance rapide de matériaux 2D larges ou permettra la croissance de nouveaux matériaux 2D, ce qui est très difficile à réaliser par d'autres méthodes, " a déclaré le professeur Feng Ding. En plus du fluorure, il existe de nombreux types de substrats comme les sulfures, séléniures, les chlorures ou bromures qui pourraient être utilisés comme sources d'approvisionnement locales de différentes matières actives, qui fournit une plate-forme suffisamment large pour moduler la croissance de matériaux 2D larges.


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