Une approche qui produit des feuilles de graphène monocristallin sur des supports électriquement isolants à grande échelle pourrait aider au développement de dispositifs à base de nanomatériaux de nouvelle génération, tels que des écrans tactiles très légers et minces, des appareils électroniques portables et des cellules solaires.

La plupart des appareils électroniques à base de graphène nécessitent des supports isolants. Pourtant, les films de graphène de haute qualité destinés à un usage industriel sont généralement développés sur un substrat métallique, tel qu'une feuille de cuivre, avant d'être transférés sur un support isolant pour la fabrication de dispositifs. Cette étape de transfert peut introduire des impuretés qui affectent les performances de l'appareil. Les efforts pour faire pousser du graphène sur des supports isolants n'ont pas été en mesure de produire les monocristaux de haute qualité requis.

"Si le graphène peut être cultivé sur un substrat isolant avec une interface propre, certains dispositifs pourraient mieux fonctionner", explique Ph.D. l'étudiant Bo Tian, ​​qui a codirigé l'étude sous la supervision de Xixiang Zhang. "Cela ouvre également la porte à de nouveaux types de nanodispositifs à base de graphène", explique-t-il.

Zhang, Tian et leurs collègues d'Asie et d'Europe ont peaufiné la méthode de dépôt chimique en phase vapeur, qui repose sur la décomposition catalysée par le cuivre du méthane en précurseurs de carbone, pour générer des monocouches de graphène monocristallin lisses sur des substrats monocristallins à l'échelle de la tranche appelés c-plane saphir.

Les chercheurs ont converti une feuille de cuivre polycristalline en son homologue monocristallin Cu(111) sur la surface du saphir et ont introduit des atomes de carbone actifs provenant de la décomposition du méthane catalysée par le substrat métallique sur le film résultant. Les atomes de carbone se sont diffusés à travers le film métallique vers l'interface cuivre-saphir, qui a agi comme un modèle, et ont formé des îlots de graphène bien orientés qui, après plusieurs cycles de croissance, ont fusionné pour donner une feuille.

En plus de faibles interactions de surface, le film de cuivre et le saphir présentaient une symétrie de réseau cristallin similaire à celle du graphène, explique Tian, ​​ce qui explique la cristallinité élevée de la monocouche de graphène.

Les chercheurs ont gravé tout graphène qui s'était accumulé sur le film de cuivre à l'aide d'un plasma hydrogène-argon pour faciliter la diffusion du carbone. Ils ont immergé les échantillons dans de l'azote liquide avant de les chauffer rapidement à 500 degrés Celsius, rendant le film de cuivre facile à décoller tout en gardant la monocouche de graphène intacte.

Les transistors à effet de champ fabriqués sur la monocouche de graphène monocristallin à croissance de saphir ont présenté d'excellentes performances avec des mobilités de porteurs plus élevées. Les performances électroniques supérieures du graphène développé sur le saphir résultent de sa cristallinité plus élevée et du nombre réduit de plis à la surface, explique Tian.

"Notre équipe essaie maintenant de développer d'autres matériaux bidimensionnels sur le graphène supporté par un isolant pour construire des hétérostructures fonctionnalisées à grande échelle", a déclaré Tian. Ces hétérostructures maintenues ensemble par les interactions de van der Waals devraient être utiles dans les futurs nanodispositifs. + Explorer plus loin

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