(A) Schéma du support de quartz auquel la feuille de cuivre (Cu) est suspendue, (B) photographie de la configuration schématisée en (A). (C) Photographie de la feuille de Cu monocristallin recuit (environ 2 cm × 8 cm), à côté d'une règle. (D) Spectres de diffraction des rayons X (XRD) des trois régions dans la feuille de Cu monocristallin recuit indiquée par P1-P3 dans (C). Crédit :IBS
Un groupe de recherche du Center for Multidimensional Carbon Materials, au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS), a publié un article dans Science décrivant une nouvelle méthode pour convertir des feuilles métalliques polycristallines peu coûteuses en monocristaux dotés de propriétés supérieures. Ces matériaux ont de nombreuses applications scientifiques et technologiques.
La structure de la plupart des matériaux métalliques peut être considérée comme un patchwork de minuscules cristaux portant des défauts sur les bords entre chaque patch. Ces défauts, appelés joints de grains (GB), aggraver les propriétés électriques et parfois mécaniques du métal. Par contre, les métaux monocristallins n'ont pas de GB et présentent une conductivité électrique plus élevée et d'autres qualités améliorées qui peuvent jouer un rôle majeur dans des domaines tels que l'électronique, plasmonique et catalyse, entre autres. Les feuilles de métal monocristallin ont également attiré beaucoup d'attention parce que certains métaux monocristallins, comme le cuivre, le nickel et le cobalt sont des substrats appropriés pour la croissance de graphène sans défaut, nitrure de bore et diamant.
Les monocristaux sont normalement fabriqués en commençant par ce qu'on appelle une "graine de cristal". Approches conventionnelles, comme les méthodes Czochralski ou Bridgman, ou autres basés sur le dépôt de couches minces métalliques sur des substrats inorganiques monocristallins, obtenir de petits monocristaux à des coûts de traitement élevés.
Pour libérer tout le potentiel de telles structures métalliques, l'équipe IBS dirigée par Rodney Ruoff à l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST), avec Jin Sunghwan et Shin Hyung-Joon, a inventé la technique de recuit sans contact (CFA). Le CFA consiste à chauffer les feuilles de métal polycristallin à une température légèrement inférieure au point de fusion de chaque métal. Cette nouvelle méthode n'a pas besoin de germes ou de modèles monocristallins qui limitent la taille maximale des cristaux. La méthode a été testée avec cinq types différents de feuilles métalliques :cuivre, nickel, cobalt, platine et palladium. Il en est résulté une croissance colossale des grains, atteignant jusqu'à 32 centimètres carrés pour le cuivre.
Les détails de l'expérience variaient selon le métal utilisé. Dans le cas du cuivre, les chercheurs ont utilisé des supports en quartz et une tige pour suspendre la feuille de métal comme des vêtements suspendus à des cordes à linge. Ensuite, la feuille a été chauffée pendant plusieurs heures dans une atmosphère d'hydrogène et d'argon dans un four en forme de tube à environ 1050 degrés Celsius (1323 degrés Kelvin), une température proche du point de fusion du cuivre (1358 K), puis refroidi.
Feuilles de graphène cultivées sur une feuille de cuivre monocristallin. (À gauche) Du graphène monocouche monocristallin de très haute qualité a été obtenu sur une feuille de cuivre monocristalline, et (à droite) du graphène multicouche (de 2 à 10 couches) sur une feuille d'alliage cuivre-nickel monocristallin.
Figure 3 :Les cristaux changent d'orientation pour minimiser l'énergie de surface. Les membres de l'équipe, DING Feng, ZHANG Leining, et DONG Jichen, a contribué un modèle et des calculs théoriques sur la «croissance colossale des grains» qui a été observée et étudiée à travers des expériences. SHIN Hyung-Joon a attiré l'attention sur l'importance de la "texture" initiale des feuilles métalliques polycristallines et le rôle qu'elle joue dans la croissance colossale des grains. En présence de grandes quantités de lacunes dans la structure cristalline (5 % dans ces simulations de dynamique moléculaire), l'orientation du cristal change pour minimiser l'énergie de surface. Crédit :IBS
Les scientifiques ont également obtenu des monocristaux à partir de feuilles de nickel et de cobalt, chacun environ 11 cm 2 . Les tailles obtenues sont limitées par la taille du four. Pour le platine, un chauffage résistif a été utilisé en raison de sa température de fusion plus élevée (2041 K). Le courant a été passé à travers une feuille de platine attachée à deux électrodes opposées, puis une électrode a été déplacée et ajustée pour maintenir la feuille plate pendant l'expansion et la contraction. L'équipe de recherche s'attend à ce que cette astuce fonctionne pour d'autres foils, car cela fonctionnait aussi pour le palladium.
Ces grandes feuilles métalliques monocristallines sont utiles dans plusieurs applications. Par exemple, ils peuvent servir à faire pousser du graphène au-dessus d'eux. Le groupe a obtenu du graphène monocouche monocristallin de haute qualité sur une feuille de cuivre monocristalline, et du graphène multicouche sur une feuille d'alliage cuivre-nickel monocristallin.
La nouvelle feuille de cuivre monocristallin a montré des propriétés électriques améliorées. Les collaborateurs Yoo Won Jong et Moon Inyong de l'Université Sungkyunkwan ont mesuré une augmentation de 7 % de la conductivité électrique à température ambiante de la feuille de cuivre monocristallin, par rapport à la feuille polycristalline disponible dans le commerce.
"Maintenant que nous avons exploré ces cinq métaux et inventé une méthode simple et évolutive pour fabriquer de si gros monocristaux, il y a la question passionnante de savoir si d'autres types de films métalliques polycristallins, comme le fer, peut également être converti en monocristaux, " note le premier auteur de l'étude, Jin Sunghwan.
Ruoff, son superviseur, dit, "Maintenant que ces feuilles métalliques monocristallines bon marché sont disponibles, ce sera extrêmement excitant de voir comment ils sont utilisés par les communautés scientifiques et d'ingénierie. »
