Au-delà de sa capacité à conduire les électrons presque sans résistance, le nanomatériau graphène possède également des propriétés mécaniques étonnantes, y compris une haute résistance qui pourrait un jour le rendre utile en poids léger, structures robustes. Mais ce matériau n'est pas sans défauts, notamment une famille de défauts ressemblant à des fleurs qui pourraient nuire à ses propriétés électroniques et mécaniques.

Dans un article publié dans la revue Physical Review B, des chercheurs du Georgia Institute of Technology et du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont décrit une famille de sept structures de défauts potentiels qui peuvent apparaître dans des feuilles de graphène et des exemples imagés du défaut à plus faible énergie de la famille.

Les défauts peuvent survenir pour aider à soulager les contraintes mécaniques dans la structure en nid d'abeilles des atomes de carbone du graphène en permettant aux atomes de s'étaler et d'occuper un peu plus d'espace. Un tel stress peut survenir lors de la croissance du graphène ou en étirant la feuille de graphène.

« Pour un ingénieur intéressé par les propriétés mécaniques du graphène pour créer des membranes d'épaisseur atomique, par exemple, il serait très important de comprendre ce genre de propriétés, qui pourrait donner lieu à une déformation plastique du matériau, " a déclaré Phillip First, l'un des co-auteurs de l'article et professeur à la Georgia Tech School of Physics. « Par exemple, il se peut que ces défauts ne soient qu'une partie de la voie cinétique menant à la défaillance d'une feuille de graphène tendue. »

Pour les applications électroniques, les défauts pourraient dévier les électrons et provoquer une rétrodiffusion qui augmenterait la résistance du matériau – comme une roche dans un ruisseau ralentit l'écoulement de l'eau. Cependant, First dit que les techniques de croissance améliorées développées depuis le début de l'étude des défauts peuvent éliminer cette préoccupation.

« Avec les techniques de croissance qui ont été développées à l'aide du carbure de silicium, nous ne voyons généralement pas ces défauts, », a-t-il noté. « Les défauts surviennent sur des matériaux que nous savons être de qualité inférieure en raison des conditions de croissance ou de la préparation du substrat. »

Des défauts peuvent apparaître en raison du mouvement des atomes de carbone à haute température, a expliqué Joseph Stroscio, membre du NIST. Les réarrangements du graphène qui nécessitent le moins d'énergie impliquent le passage des anneaux de carbone standard à six membres à des structures contenant cinq ou sept atomes. Les chercheurs du NIST ont découvert que l'enchaînement d'anneaux à cinq et sept membres en boucles fermées crée un nouveau type de défaut ou boucle de joint de grain dans le réseau en nid d'abeille.

Selon Eric Cockayne, chercheur au NIST, le processus de fabrication joue un rôle important dans la création des défauts.

« Alors que le graphène se forme à haute température, des sections du treillis peuvent se détacher et tourner, " a-t-il dit. « Alors que le graphène se refroidit, ces sections tournées se reconnectent avec le treillis, mais de manière irrégulière. C'est presque comme si des morceaux de graphène étaient découpés avec des ciseaux, tourné dans le sens des aiguilles d'une montre, et fait pour s'adapter au même endroit. Seulement ça ne va vraiment pas, c'est pourquoi nous obtenons ces fleurs.

Jusque là, seulement le défaut de la fleur, qui est composé de six paires de cycles à cinq et sept atomes, a été observé. La modélisation de la structure atomique du graphène par l'équipe du NIST suggère qu'il pourrait y avoir un véritable bouquet de configurations en forme de fleur. Ces configurations – sept en tout – posséderaient chacune ses propres propriétés mécaniques et électriques uniques, dit Cockayne.

espère d'abord que l'équipe pourra continuer à étudier les défauts, à la fois pour savoir si leur formation peut être contrôlée et pour clarifier le rôle des défauts dans les propriétés mécaniques du matériau.

« Le graphène est fort et léger, donc les propriétés mécaniques sont d'un grand intérêt, », a-t-il noté. « Comprendre comment cela se déchire est une question intéressante qui a des implications importantes. Mais même avec ces défauts, le graphène est toujours spectaculairement fort.