Graphène, la forme cristalline bidimensionnelle du carbone, est une superstar potentielle pour l'industrie électronique. Avec des électrons incroyablement mobiles qui peuvent traverser le matériau presque à la vitesse de la lumière - 100 fois plus vite que les électrons peuvent se déplacer à travers le silicium - le graphène pourrait être utilisé pour fabriquer des transistors ultrarapides ou des puces de mémoire informatique. La structure atomique unique du "fil de poulet" du graphène présente une flexibilité et une résistance mécanique incroyables, ainsi que des propriétés optiques inhabituelles qui pourraient ouvrir un certain nombre de portes prometteuses dans les industries de l'électronique et de la photonique. Cependant, parmi les obstacles empêchant le graphène de rejoindre le panthéon des matériaux high-tech vedettes, peut-être qu'il n'y a rien de plus important que d'apprendre à fabriquer les choses en grande qualité et en quantités utilisables.

"Avant de pouvoir utiliser pleinement les propriétés électroniques supérieures du graphène dans les appareils, nous devons d'abord développer une méthode de formation de films monocouches uniformes de graphène sur des substrats non conducteurs à grande échelle, " dit Yuegang Zhang, un scientifique des matériaux au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Méthodes de fabrication actuelles basées sur le clivage mécanique ou le recuit sous ultravide, il dit, sont mal adaptés à la production à l'échelle commerciale. Les films de graphène fabriqués par dépôt en solution et réduction chimique ont souffert d'une qualité médiocre ou inégale.

Zhang et ses collègues de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, un centre du département américain de l'Énergie (DOE) pour les nanosciences, ont franchi une étape importante pour surmonter cet obstacle majeur. Ils ont utilisé avec succès le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour synthétiser des films monocouches de graphène sur un substrat diélectrique. Zhang et ses collègues ont fabriqué leurs films de graphène en décomposant catalytiquement des précurseurs d'hydrocarbures sur des films minces de cuivre préalablement déposés sur le substrat diélectrique. Les films de cuivre ont ensuite été démoulés (séparés en flaques ou gouttelettes) et ont été évaporés. Le produit final était un film de graphène monocouche sur un diélectrique nu.

"C'est une nouvelle passionnante pour les applications électroniques car le dépôt chimique en phase vapeur est une technique déjà largement utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs, " dit Zhang. " Aussi, on peut en savoir plus sur la croissance du graphène sur les surfaces des catalyseurs métalliques en observant l'évolution des films après l'évaporation du cuivre. Cela devrait jeter une base importante pour un contrôle plus poussé du processus et nous permettre d'adapter les propriétés de ces films ou de produire les morphologies souhaitées, tels que les nanorubans de graphène."

Zhang et ses collègues ont rapporté leurs découvertes dans le journal Lettres nano dans un article intitulé, "Dépôt chimique direct en phase vapeur de graphène sur des surfaces diélectriques." Les autres co-auteurs de cet article étaient Ariel Ismach, Clara Druzgalski, Samuel Penwell, Maxwell Zheng, Ali Javey et Jeffrey Bokor, le tout avec Berkeley Lab.

Dans leur étude, Zhang et ses collègues ont utilisé l'évaporation par faisceau d'électrons pour déposer des films de cuivre d'une épaisseur de 100 à 450 nanomètres. Le cuivre a été choisi car, en tant que catalyseur métallique à faible solubilité en carbone, il devait permettre un meilleur contrôle du nombre de couches de graphène produites. Plusieurs substrats diélectriques différents ont été évalués, notamment du quartz monocristallin, saphir, plaquettes de silice fondue et d'oxyde de silicium. La CVD du graphène a été réalisée à 1, 000 degrés Celsius dans des durées allant de 15 minutes à sept heures.

"Cela a été fait pour nous permettre d'étudier l'effet de l'épaisseur du film, type de substrat et temps de croissance CVD sur la formation de graphène, " dit Zhang.

Une combinaison de cartographie Raman à balayage et de spectroscopie, ainsi que la microscopie électronique à balayage et à force atomique ont confirmé la présence de films de graphène monocouche continus recouvrant des zones sans métal du substrat diélectrique mesurant des dizaines de micromètres carrés.

"Une amélioration supplémentaire du contrôle du processus de démouillage et d'évaporation pourrait conduire au dépôt direct de graphène à motifs pour la fabrication de dispositifs électroniques à grande échelle, dit Zhang. "Cette méthode pourrait aussi être généralisée et utilisée pour déposer d'autres matériaux bidimensionnels, comme le nitrure de bore."

Même l'apparition de rides dans les films de graphène qui suivaient les lignes de la forme de démouillage du cuivre pourrait s'avérer bénéfique à long terme. Bien que des études antérieures aient indiqué que les rides dans un film de graphène ont un impact négatif sur les propriétés électroniques en introduisant des contraintes qui réduisent la mobilité des électrons, Zhang pense que les rides peuvent être transformées en avantage.

"Si nous pouvons apprendre à contrôler la formation de rides dans nos films, nous devrions pouvoir moduler la contrainte résultante et ainsi adapter les propriétés électroniques, " dit-il. " Une étude plus approfondie de la formation des rides pourrait également nous donner de nouveaux indices importants pour la formation de nanorubans de graphène. "