Images FE-SEM de deux électrodes à couche mince de platine séparées de 70 nm, (a) sans graphène, et (b) avec différents types de graphène traversant l'espace :(b) RGO, (c) HG, et (d) EG
(PhysOrg.com) -- Une revue opportune analysant la corrélation des méthodes de synthèse et des propriétés physiques des flocons de graphène à couche unique et à quelques couches.
Une revue des méthodes utilisées pour synthétiser le graphène à couche unique et à quelques couches et les propriétés qui en résultent est présentée par le C.N.R. Rao et ses collègues du Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research et de l'Indian Institute of Science, Bangalore. L'article a été publié récemment dans Science et technologie des matériaux avancés .
Le groupe compare non seulement l'électricité, propriétés magnétiques et de surface du graphène résultant [2] mais sur la base de leurs propres recherches, les auteurs décrivent les propriétés physiques des composites graphène-polymère et des transistors à effet de champ fabriqués à l'aide de graphène.
Depuis le premier rapport sur l'isolement mécanique du graphène à partir du graphite, l'intérêt pour les propriétés physiques et les applications potentielles, telles que les électrodes transparentes pour les cellules solaires, nanoélectronique et structures mécaniques robustes - a conduit à une augmentation sans précédent du nombre de publications sur la synthèse, propriétés et applications de ce matériau 2D unique.
Mais le domaine n'en est qu'à ses balbutiements, avec des défis et des problèmes à résoudre, en particulier les effets de la méthode de synthèse sur les propriétés du graphène résultant.
Le prix Nobel de physique 2010 a été décerné à Andre Geim et Konstantin Novoselov de l'Université de Manchester "pour des expériences révolutionnaires concernant le graphène matériel bidimensionnel" - une structure unique de carbone d'une épaisseur d'un seul atome qui a captivé l'imagination des scientifiques des matériaux du monde entier. large.
Les chercheurs de Manchester ont rendu compte de l'extraction et des propriétés du graphène en 2004 [1]. La simplicité de la « synthèse » a surpris de nombreux scientifiques, car qui aurait imaginé pouvoir isoler une couche atomique de carbone d'un bloc de graphite avec un morceau de ruban adhésif ?
Le graphène monocouche (SLG) est produit en « décollant » mécaniquement une couche de carbone à partir de graphite pyrolytique hautement ordonné, qui est ensuite transféré sur un substrat de silicium. Chimiquement, SLG est préparé par la réduction d'une dispersion d'oxyde de graphène monocouche avec de l'hydrazine. Cet oxyde de graphène réduit (RGO) résultant est une suspension noire qui contient de l'oxygène résiduel, et cela le distingue du SLG obtenu par d'autres méthodes.
Les méthodes non chimiques de production de couches SLG comprennent le chauffage du monocristal 6H-SiC à terminaison Si (0001) sous vide entre 1250 et 1450 ºC pendant quelques minutes et la décomposition des hydrocarbures - méthane, éthylène, acétylène et benzène — sur des feuilles de métaux de transition catalytiques tels que Ni. Les propres recherches des auteurs sur le dépôt chimique en phase vapeur sur des films de nickel et de cobalt ont montré que le nombre de couches dépendait du choix des hydrocarbures et des conductions expérimentales, et surtout, que les couches de graphène étaient difficiles à retirer de la surface métallique après refroidissement.
Des méthodes bien connues pour produire du graphène à quelques couches sont l'exfoliation thermique d'oxyde de graphite à 1050 ºC, la réaction chimique d'une solution aqueuse de SGO avec l'hydrate d'hydrazine à la température de reflux ou par chauffage par micro-ondes, chauffer des particules de nanodiamant de 4 à 6 nm dans une atmosphère inerte ou réductrice au-dessus de 1500 ºC, et l'évaporation à l'arc du graphite dans une atmosphère d'hydrogène. L'équipe a découvert que cette dernière méthode donne du graphène avec seulement 2 à 3 couches de flocons de 100 à 200 nm, bien qu'elle note que le contrôle du nombre de couches de graphène reste un défi.
La surface du graphène est un paramètre important pour des applications telles que la détection de gaz et le stockage de gaz tels que l'hydrogène. Par rapport au graphène monocouche, quelle théorie prédit d'avoir une grande surface de 2600 m 2 /g, les mesures du groupe de Bangalore sur du graphène à quelques couches ont montré que la surface était de 270 à 1550 m 2 /g.
La structure électronique du graphène est déterminée par les « états de bord » des flocons de graphène, avec du graphène bicouche prédit comme ferromagnétique. Rao et ses collègues ont montré que les températures de Curie-Weiss obtenues à partir des données de susceptibilité inverse à haute température étaient négatives dans tous les échantillons mesurés par eux, indiquant un antiferromagnétisme. Les auteurs notent la possibilité de la coexistence de différents types d'états magnétiques au sein d'un même flocon de graphène. En outre, tous les échantillons de graphène ont montré une hystérésis magnétique à température ambiante, avec des mesures de résonance paramagnétique électronique suggérant que ce comportement ne provenait pas d'impuretés de métaux de transition.
Les mesures électriques ont montré un comportement semi-conducteur dans des graphènes à quelques couches avec une conductivité augmentant entre 35 et 300 K, ce qui est différent de la nature métallique présentée par le graphène monocouche, et la conductivité électrique des échantillons de graphène diminuait avec l'augmentation du nombre de couches. Par ailleurs, les échantillons de graphène à quelques couches étaient de type n et adaptés à la fabrication de transistors à effet de champ, et les meilleurs transistors ont été réalisés avec du graphène à quelques couches produit par décharge en arc de graphite dans l'hydrogène. Dans des mesures sur des composites d'un polymère et de graphène à quelques couches (PMMA-RGO, PMMA-HG et PVA-EG), la conductivité électrique des composites augmente avec l'augmentation de la teneur en graphène. Les mesures thermoélectriques ont révélé une thermopuissance relativement faible dans les graphènes à quelques couches par rapport au graphène à couche unique. De façon intéressante, les graphènes à quelques couches avec la plus grande surface spécifique ont montré l'interaction la plus forte avec les molécules donneuses et acceptrices d'électrons via le transfert de charge moléculaire.
Cette revue contient 68 références et 21 figures et fournit une source inestimable d'informations à jour pour les nouveaux arrivants et les experts dans ce domaine de recherche passionnant.
