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  • Une nouvelle façon de protéger les feuilles atomiques minces contre la corrosion

    Ce diagramme montre une vue latérale de la structure moléculaire du nouveau matériau de revêtement. Le matériau en couches minces en cours de revêtement est indiqué en violet en bas, et l'air ambiant est représenté par les molécules dispersées d'oxygène et d'eau au sommet. La couche sombre entre les deux est le matériau protecteur, qui laisse passer un peu d'oxygène (rouge), formant une couche d'oxyde en dessous qui offre une protection supplémentaire. Crédit : Institut de technologie du Massachusetts

    Une variété de matériaux bidimensionnels qui ont des propriétés prometteuses pour l'optique, électronique, ou les applications optoélectroniques ont été freinées par le fait qu'elles se dégradent rapidement lorsqu'elles sont exposées à l'oxygène et à la vapeur d'eau. Les revêtements protecteurs développés jusqu'à présent se sont avérés coûteux et toxiques, et ne peut pas être enlevé.

    Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT et d'ailleurs a mis au point un revêtement ultrafin peu coûteux, simple à appliquer, et peut être éliminé en appliquant certains acides.

    Le nouveau revêtement pourrait ouvrir une grande variété d'applications potentielles pour ces matériaux 2D « fascinants », disent les chercheurs. Leurs conclusions sont publiées cette semaine dans le journal PNAS , dans un article de l'étudiant diplômé du MIT Cong Su; professeurs Ju Li, Jing-Kong, Mircea Dinca, et Juejun Hu; et 13 autres au MIT et en Australie, Chine, Danemark, Japon, et le Royaume-Uni

    Recherche sur les matériaux 2D, qui forment des feuilles minces d'un ou de quelques atomes d'épaisseur, est "un domaine très actif, " dit Li. En raison de leurs propriétés électroniques et optiques inhabituelles, ces matériaux ont des applications prometteuses, tels que les détecteurs de lumière très sensibles. Mais beaucoup d'entre eux, dont le phosphore noir et toute une catégorie de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMD), se corroder lorsqu'il est exposé à l'air humide ou à divers produits chimiques. Beaucoup d'entre eux se dégradent considérablement en quelques heures seulement, excluant leur utilité pour les applications du monde réel.

    "C'est un enjeu clé" pour le développement de tels matériaux, dit Li. "Si vous ne pouvez pas les stabiliser dans l'air, leur capacité de traitement et leur utilité sont limitées. » L'une des raisons pour lesquelles le silicium est devenu un matériau si omniprésent pour les appareils électroniques, il dit, est parce qu'il forme naturellement une couche protectrice de dioxyde de silicium à sa surface lorsqu'il est exposé à l'air, empêchant une dégradation supplémentaire de la surface. Mais c'est plus difficile avec ces matériaux atomiquement minces, dont l'épaisseur totale pourrait être encore inférieure à celle de la couche protectrice en dioxyde de silicium.

    Il y a eu des tentatives pour revêtir divers matériaux 2-D d'une barrière protectrice, mais jusqu'à présent, ils ont eu de sérieuses limitations. La plupart des revêtements sont beaucoup plus épais que les matériaux 2D eux-mêmes. La plupart sont également très cassants, formant facilement des fissures qui laissent passer le liquide ou la vapeur corrosifs, et beaucoup sont aussi assez toxiques, créant des problèmes de manipulation et d'élimination.

    Le nouveau revêtement, à base d'une famille de composés appelés alkylamines linéaires, améliore ces inconvénients, disent les chercheurs. Le matériau peut être appliqué en couches ultrafines, aussi peu que 1 nanomètre (un milliardième de mètre) d'épaisseur, et un chauffage supplémentaire du matériau après l'application guérit de minuscules fissures pour former une barrière contiguë. Le revêtement est non seulement imperméable à une variété de liquides et de solvants, mais bloque également de manière significative la pénétration de l'oxygène. Et, il peut être éliminé ultérieurement si besoin par certains acides organiques.

    « C'est une approche unique » pour protéger les feuilles atomiques minces, Li dit, qui produit une couche supplémentaire d'une seule molécule d'épaisseur, connu sous le nom de monocouche, qui offre une protection remarquablement durable. "Cela donne au matériau une durée de vie 100 fois plus longue, " il dit, l'extension de l'aptitude au traitement et de l'utilisation de certains de ces matériaux de quelques heures à plusieurs mois. Et le composé de revêtement est "très bon marché et facile à appliquer, " il ajoute.

    En plus de la modélisation théorique du comportement moléculaire de ces revêtements, l'équipe a fabriqué un photodétecteur fonctionnel à partir de flocons de matériau TMD protégés par le nouveau revêtement, comme preuve de concept. Le matériau de revêtement est hydrophobe, ce qui signifie qu'il repousse fortement l'eau, qui autrement diffuserait dans le revêtement et dissoudrait une couche d'oxyde protectrice naturellement formée à l'intérieur du revêtement, entraînant une corrosion rapide.

    L'application du revêtement est un processus très simple, Su explique. Le matériau 2-D est simplement placé dans un bain d'hexylamine liquide, une forme de l'alkylamine linéaire, qui accumule le revêtement protecteur après environ 20 minutes, à une température de 130 degrés Celsius à pression normale. Puis, pour produire une douceur, surface sans fissure, le matériau est immergé pendant 20 minutes supplémentaires dans la vapeur de la même hexylamine.

    "Vous venez de mettre la plaquette dans ce produit chimique liquide et de la laisser chauffer, " dit Su. " En gros, c'est tout." Le revêtement "est assez stable, mais il peut être éliminé par certains acides organiques très spécifiques."

    L'utilisation de tels revêtements pourrait ouvrir de nouveaux domaines de recherche sur des matériaux 2D prometteurs, dont les TMD et le phosphore noir, mais potentiellement aussi de la silicène, stanine, et d'autres matériaux connexes. Étant donné que le phosphore noir est le plus vulnérable et le plus facilement dégradé de tous ces matériaux, c'est ce que l'équipe a utilisé pour sa première preuve de concept.

    Le nouveau revêtement pourrait fournir un moyen de surmonter "le premier obstacle à l'utilisation de ces fascinants matériaux 2D, " dit Su. " Pratiquement parlant, vous devez gérer la dégradation pendant le traitement avant de pouvoir les utiliser pour des applications, " et cette étape est maintenant accomplie, il dit.

    Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.




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