Mécanisme de formation de feuilles de Cu monocristallines de grande surface avec différentes structures de surface via le recuit de feuilles de Cu de peroxyde. Crédit :IBS
Tout comme le clonage en biologie permet la création d'une ou plusieurs répliques exactement des mêmes gènes, la croissance ensemencée en chimie peut produire une très grande feuille métallique avec exactement la même texture de surface que celle d'une feuille ensemencée. La croissance ensemencée est très populaire dans la synthèse de monocristaux tridimensionnels (3D):les cristaux 3-D sont toujours cultivés dans les mêmes formes, tout comme les sels sont invariablement des monocristaux cubiques.
Pendant ce temps, les feuilles/films très minces peuvent se développer en différents types en fonction des structures de surface. En tant que tel, les applications peuvent varier. De grands efforts ont été consacrés à la synthèse de feuilles métalliques monocristallines car elles ont de nombreuses applications importantes, tel que (i) un substrat pour supporter la synthèse de divers matériaux bidimensionnels (2-D), (ii) l'ingénierie des propriétés du matériau qui y est déposé, (iii) permettant une catalyse sélective, et (iv) la fabrication de fils métalliques avec des conductivités électrique et thermique optimisées. Malgré de telles possibilités, la croissance ensemencée a rarement été appliquée à la croissance de films minces en raison d'un manque de connaissances sur la façon de contrôler le processus de croissance.
Le groupe du professeur Feng Ding du Center for Multidimensional Carbon Materials, au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud), en collaboration avec le groupe du Pr Kaihui Liu et le groupe du Pr Enge Wang de l'Université de Pékin, ainsi que le groupe du professeur Dapeng Yu de la Southern University of Science and Technology, ont rapporté comment donner des variations aux feuilles métalliques monocristallines. Via la stratégie de recuit par oxydation et de croissance ensemencée, l'équipe de recherche a obtenu plus de 30 types de feuilles de cuivre de la taille d'un papier A4 (~30×21 cm 2 ), qui est à peu près la même taille que US legal.
Feuilles de Cu monocristallin de grande surface avec des surfaces à indice élevé. Crédit :IBS
L'équipe de recherche a exploré les feuilles de cuivre, l'un des substrats les plus populaires pour soutenir la croissance du graphène et d'autres matériaux 2D. Bien qu'ils aient obtenu des feuilles de cuivre (Cu) monocristallines dans leur étude précédente ( Bulletin scientifique , 2017, 62, 1074-1080), ils étaient pour la plupart Cu (111), dont la surface est ultra-plate et donc moins active que celles avec des bords de marche et des plis. Par des calculs théoriques, l'équipe de recherche a conclu que le Cu (111) a tendance à se former plus facilement que les autres types, car la surface de Cu (111) a l'énergie de surface la plus faible et est donc la structure la plus favorable dans la nature. Ce raisonnement les a amenés à ajuster l'énergie de surface des feuilles de Cu afin d'obtenir des feuilles de métal monocristallin avec les types de surface souhaités.
L'équipe de recherche a découpé le "gène" d'une petite feuille monocristalline et "collé" la graine (gène) pour créer de très grandes feuilles de Cu avec exactement la même texture de surface que celle héritée. Pour obtenir des germes métalliques monocristallins avec diverses structures de surface, les feuilles de Cu polycristallin ont d'abord été oxydées puis recuites à haute température (1020°C), qui est proche du point de fusion du Cu, pendant plusieurs heures. Lorsque le Cu a été oxydé, sa surface supérieure et inférieure étaient recouvertes d'une couche d'oxyde de cuivre (CuxO). Comme la surface de Cu pur disparaît en raison de l'oxydation, les deux surfaces d'une feuille de Cu ont été transformées en deux interfaces Cu-CuxO après pré-oxydation. Cette modification a fait passer la force motrice du recuit de l'énergie de surface à l'énergie d'interface. "Nous l'avons prouvé, contrairement à celle des énergies de surface, les différences des énergies d'interface des différentes feuilles de Cu sont négligeables, Ainsi, les feuilles de Cu polycristallin peuvent être recuites de manière aléatoire en de nombreux types différents de monocristaux. " explique le professeur Feng Ding, l'auteur correspondant de l'étude.
Un petit morceau de feuille a ensuite été découpé dans une grande feuille monocristalline avec une structure de surface souhaitée en tant que graine pour la production en série. L'équipe de recherche a découvert que le recuit d'une grande feuille de Cu polycristalline avec un tel germe conduirait à une grande feuille de Cu monocristalline avec exactement la même structure de surface (Figure 2, étape 2).
Illustration du processus d'obtention de feuilles de Cu monocristallin avec différentes structures de surface. Crédit :IBS
De grands efforts théoriques et expérimentaux ont été consacrés à la compréhension de la formation de ces feuilles de Cu monocristallin pendant le recuit. Un tel processus peut être compris en deux étapes. D'abord, la structure de surface du germe a été copiée sur la partie inférieure de la grande feuille de Cu polycristallin et a formé un grain anormal (un grain qui est beaucoup plus gros que les autres et a l'avantage de grandir davantage) avec une structure de surface spécifique. Seconde, la croissance du grain anormal aboutit finalement à une très grande feuille de Cu monocristalline avec la structure de surface désignée.
À partir de centaines d'expériences de recuit, l'équipe de recherche a obtenu une bibliothèque de feuilles de Cu monocristallin avec plus de 30 types de structures de surface différentes, comme le montre la figure 3. Les dimensions des feuilles de Cu monocristallin obtenues ont atteint 39 * 21 cm 2 , qui était limitée par la taille du four de recuit.
Outre les feuilles de Cu, les chercheurs ont prouvé que cette stratégie de croissance ensemencée peut être appliquée pour fabriquer des feuilles monocristallines de grande surface d'autres métaux, suggérant que divers types de feuilles monocristallines de la plupart des métaux pourraient être disponibles dans un proche avenir. "Cette réalisation démontre une méthode pratique pour la synthèse évolutive de feuilles monocristallines de métal de transition extrêmement grandes avec différents types de surface, ce qui a longtemps été souhaité pour les applications en science fondamentale et en ingénierie. Notre réalisation ouvre de nombreuses possibilités, tels que l'utilisation de métaux monocristallins comme canaux conducteurs dans les micro-dispositifs ; utiliser ces feuilles métalliques monocristallines comme modèles pour la synthèse contrôlable de divers matériaux bidimensionnels ; développer des motifs moléculaires de grande surface avec des feuilles métalliques sélectionnées ; et catalyser sélectivement des réactions chimiques sur une surface de feuille avec une structure spécifique, " note le professeur Kaihui Liu.
L'équipe de recherche visera ensuite à comprendre le mécanisme de cet ensemencement et de cette croissance induits par l'oxydation au niveau atomique. Les efforts expérimentaux pour synthétiser divers types de feuilles métalliques monocristallines de différents métaux ou alliages métalliques se poursuivront, ainsi que d'explorer de larges applications de ces feuilles.
L'étude est publiée dans La nature .
