Mesure des bandes électroniques de graphène bicouche sur ruthénium, qui ont les caractéristiques du graphène monocouche autoportant. L'une de ces caractéristiques est la forme typique en forme de cône des bandes proches de l'énergie de Fermi. L'encart montre un calcul de ces "cônes de Dirac" pour comparaison. En arrière-plan, un rendu schématique de la structure en treillis du graphène.
(PhysOrg.com) -- En contrôlant la croissance en couches du graphène - une forme relativement "nouvelle" de carbone qui n'a qu'un seul atome d'épaisseur - les chercheurs du Brookhaven National Laboratory ont découvert des détails intrigants sur les propriétés électriques et optiques supérieures du matériau. Leurs découvertes pourraient aider à positionner le graphène comme matériau de nouvelle génération pour les futurs ordinateurs, affichages numériques, et capteurs électroniques.
"Le graphène est un matériau qui a vraiment le potentiel de remplacer le silicium dans l'industrie électronique, " dit Peter Sutter, un scientifique des matériaux au Centre des nanomatériaux fonctionnels de Brookhaven. "C'est mince, transparent, fort, et hautement conducteur - toutes des caractéristiques extrêmement attrayantes pour tout, des puces informatiques aux écrans tactiles et aux cellules solaires."
L'un des plus grands défis auxquels sont confrontés les chercheurs est de trouver comment produire du graphène en grande quantité. La méthode la plus simple consiste à décoller des feuilles individuelles de graphène du graphite, un matériau constitué de plusieurs couches de graphène, avec des morceaux de scotch. Mais cette méthode ne donne que peu, flocons dentelés qui ne sont pas utiles pour la plupart des applications.
À Brookhaven, Le groupe de Sutter cultive du graphène sur un substrat métallique, une technique qui permet de produire des plaques monocouches sur de très grandes surfaces, des milliers de fois plus grandes que les pièces réalisées avec la méthode du "Scotch tape". D'abord, un monocristal de ruthénium est chauffé à des températures supérieures à 1000 degrés Celsius tout en l'exposant à un gaz riche en carbone. A hautes températures, les atomes de carbone sont capables de se faufiler dans les espaces du cristal métallique, semblable à l'eau absorbée par une éponge. Comme le cristal est lentement refroidi, ces atomes de carbone sont expulsés à la surface du métal, où ils forment des couches individuelles de graphène. Le nombre de couches formées peut être contrôlé par la quantité d'atomes de carbone initialement absorbés dans le cristal de ruthénium.
"L'un des aspects uniques de cette méthode est que nous pouvons contrôler l'épaisseur du matériau, croissance du graphène couche par couche, " a déclaré Sutter. "Cela nous a permis de voir comment la structure et les propriétés électroniques du matériau changent à mesure que des couches de carbone atomique sont ajoutées au substrat une par une."
Parce que le groupe de recherche voulait déterminer comment le substrat métallique affecte les propriétés du graphène, il était important de surveiller les caractéristiques du matériau stratifié au fur et à mesure de sa croissance — une capacité fournie par un microscope spécial sur la ligne de lumière U5 du NSLS.
"D'abord, nous avons pu observer comment le matériel a grandi, puis, sans le déplacer du système, nous avons pu allumer le faisceau de photons et déterminer sa structure électronique, " a déclaré Stutter. " C'est extrêmement précieux de tout faire dans le même environnement. "
Pour obtenir des mesures pour le matériau avec différents nombres de feuilles de graphène, le groupe a utilisé la spectroscopie photoélectronique à résolution micro-angle, une technique qui permet aux chercheurs d'étudier la structure électronique de très petites régions d'intérêt.
Leurs découvertes, publié le 8 juillet édition 2009 de Lettres nano , étaient surprenants.
"Nous avons découvert que si une seule feuille de graphène est cultivée sur un métal comme le ruthénium, le métal se lie très fortement aux atomes de carbone et perturbe les propriétés caractéristiques normalement trouvées dans le graphène isolé, " a déclaré Sutter. "Mais ces propriétés réapparaissent dans les couches ultérieures développées sur le substrat."
En d'autres termes, la première couche de graphène développée sur du ruthénium rassasie le substrat métallique, permettant au reste des couches de récupérer leurs propriétés normales.
« À la suite de ce processus de croissance, un empilement à deux couches agit comme une monocouche isolée de graphène et un empilement à trois couches agit comme une bicouche isolée, " dit Sutter.
Les conclusions du groupe, qui comprend également les chercheurs de Brookhaven Mark Hybertsen, Jurek Sadowski, et Eli Sutter, jette les bases de la future production de graphène pour les technologies de pointe, et aide les chercheurs à comprendre comment les métaux, par exemple dans les contacts d'appareils, modifient les propriétés du graphène.
