Flocons de neige gravés au graphène chez Skoltech. Les zones claires sont en graphène et les zones sombres en cuivre oxydé. Le motif de flocon de neige est apparu lorsque le graphène environnant a été gravé par le dioxyde de carbone dans l'une des expériences avant que la composition optimale du gaz ne soit trouvée. Crédit :Artem Grebenko/Skoltech
Des chercheurs de Skoltech, du MIPT, du RAS Institute of Solid State Physics, de l'Université Aalto et d'ailleurs ont proposé la première technique de synthèse de graphène qui utilise le monoxyde de carbone comme source de carbone. C'est un moyen rapide et peu coûteux de produire du graphène de haute qualité avec un équipement relativement simple à utiliser dans les circuits électroniques, les capteurs de gaz, l'optique et au-delà. L'étude est parue dans la revue Advanced Science .
Le dépôt chimique en phase vapeur est la technologie standard pour synthétiser le graphène, la feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome dans un arrangement en nid d'abeille avec des propriétés inégalées utiles pour les applications électroniques et plus encore. Le CVD implique généralement des atomes de carbone qui se détachent des molécules de gaz et se déposent sur un substrat sous forme de monocouche dans une chambre à vide. Un substrat populaire est le cuivre, et les gaz utilisés ont toujours été des hydrocarbures :méthane, propane, acétylène, spiritueux, etc.
"L'idée de synthétiser du graphène à partir de monoxyde de carbone est venue il y a longtemps, car ce gaz est l'une des sources de carbone les plus pratiques pour la croissance de nanotubes de carbone à paroi unique. Nous avons une expérience de travail avec le monoxyde de carbone depuis près de 20 ans. Cependant , nos premières expériences avec le graphène ont été infructueuses, et il nous a fallu beaucoup de temps pour comprendre comment contrôler la nucléation et la croissance du graphène.La beauté du monoxyde de carbone réside dans sa décomposition exclusivement catalytique, ce qui nous a permis de mettre en œuvre une synthèse auto-limitante de de gros cristaux de graphène monocouche même à pression ambiante", a déclaré le chercheur principal de l'étude, le professeur Skoltech Albert Nasibulin.
"Ce projet est l'un des brillants exemples de la façon dont les études fondamentales bénéficient aux technologies appliquées. Les conditions optimisées menant à la formation de grands cristaux de graphène sont devenues réalisables grâce à une compréhension du mécanisme cinétique profond de la formation et de la croissance du graphène vérifiée à la fois par la théorie et l'expérience. ", souligne un co-auteur de l'article, le chercheur principal Dmitry Krasnikov de Skoltech.
La nouvelle méthode bénéficie du principe dit d'autolimitation. À des températures élevées, les molécules de monoxyde de carbone ont tendance à se décomposer en atomes de carbone et d'oxygène lorsqu'elles se trouvent à proximité du substrat de cuivre. Pourtant, une fois que la première couche de carbone cristallin est déposée et sépare le gaz du substrat, cette tendance s'atténue, le processus favorise donc naturellement la formation d'une monocouche. Le CVD à base de méthane peut également fonctionner de manière auto-limitante, mais dans une moindre mesure.
"Le système que nous avons utilisé présente un certain nombre d'avantages :le graphène résultant est plus pur, se développe plus rapidement et forme de meilleurs cristaux. De plus, ce réglage prévient les accidents avec l'hydrogène et d'autres gaz explosifs en les éliminant complètement du processus", déclare le premier de l'étude. auteur, stagiaire Skoltech Artem Grebenko.
Le fait que la méthode élimine les risques de combustion signifie qu'aucun vide n'est nécessaire. L'appareil fonctionne à une pression standard, ce qui le rend beaucoup plus simple que l'équipement CVD conventionnel. La conception simplifiée, à son tour, conduit à une synthèse plus rapide. "Il ne faut que 30 minutes pour retirer un morceau de cuivre nu et extraire le graphène", explique Grebenko.
Comme le vide n'est plus nécessaire, l'équipement fonctionne non seulement plus rapidement, mais devient également moins cher. "Une fois que vous avez abandonné le matériel haut de gamme pour générer un vide ultra poussé, vous pouvez en fait assembler notre "solution de garage" pour pas plus de 1 000 $", souligne le chercheur.
Le co-auteur de l'étude, Boris Gorshunov, professeur au MIPT, souligne la haute qualité du matériau résultant :"Chaque fois qu'une nouvelle technique de synthèse de graphène est présentée, il est impératif que les chercheurs prouvent qu'elle produit ce qu'ils prétendent faire. Après des tests rigoureux , nous pouvons dire avec confiance que le nôtre est en effet du graphène de haute qualité qui peut rivaliser avec le matériau produit par CVD à partir d'autres gaz. Le matériau résultant est cristallin, pur et se présente en morceaux suffisamment gros pour être utilisés dans l'électronique."
Outre les applications standard du graphène en tant que tel, il existe des possibilités intrigantes d'utiliser du graphène lié au substrat de cuivre, sans éliminer le métal. Comparé au méthane, le monoxyde de carbone a une énergie d'adhésion au métal très élevée. Cela signifie qu'au fur et à mesure du dépôt, le graphène protège à la fois la couche de cuivre des réactions chimiques et lui confère une structure, créant une surface métallique très développée qui possède de grandes propriétés catalytiques. Certains autres métaux, tels que le ruthénium et le palladium, fonctionneraient également dans ce contexte pour ouvrir la voie à de nouveaux matériaux aux surfaces inhabituelles. La trempe par laser augmente la qualité du graphène
