Lorsque des composés de brome ou de chlore (représentés en bleu) sont introduits dans un bloc de graphite (représenté en vert), les atomes trouvent leur chemin dans la structure entre chaque troisième feuille, augmentant ainsi l'espacement entre ces feuilles et facilitant leur séparation. Image :Chih-Jen Shih/Christine Daniloff
Graphène, une forme de carbone pur disposé en un réseau d'un seul atome d'épaisseur, a intéressé d'innombrables chercheurs avec sa force unique et sa conductivité électrique et thermique. Mais une propriété clé qui lui manque - ce qui le rendrait adapté à une pléthore de nouvelles utilisations - est la capacité de former une bande interdite, nécessaire pour les appareils tels que les transistors, puces informatiques et cellules solaires.
Maintenant, une équipe de scientifiques du MIT a trouvé un moyen de produire du graphène en quantités importantes sous une forme à deux ou trois couches. Lorsque les couches sont bien disposées, ces structures donnent au graphène la bande interdite tant désirée - une plage d'énergie qui se situe entre les bandes, ou niveaux d'énergie, où les électrons peuvent exister dans un matériau donné.
« C'est une percée dans la technologie du graphène, " dit Michael Strano, Charles et Hilda Roddey, professeur agrégé de génie chimique au MIT. Le nouveau travail est décrit dans un article publié cette semaine dans la revue Nature Nanotechnologie , co-écrit par l'étudiante diplômée Chih-Jen Shih, Professeur de génie chimique Daniel Blankschtein, Strano et 10 autres étudiants et post-doctorants.
L'existence du graphène a été prouvée pour la première fois en 2004 (un exploit qui a conduit au prix Nobel de physique 2010), mais le faire en quantités suffisamment grandes pour tout sauf la recherche en laboratoire à petite échelle a été un défi. La méthode standard reste l'utilisation de ruban adhésif pour ramasser de minuscules flocons de graphène à partir d'un bloc de graphite hautement purifié (le matériau de la mine de crayon) - une technique qui ne se prête pas à une production à l'échelle commerciale.
La nouvelle méthode, cependant, peut être réalisé à une échelle qui ouvre la possibilité d'un réel, Applications pratiques, Strano dit, et permet de réaliser l'arrangement précis des couches - appelé A-B empilé, avec les atomes d'une couche centrés sur les espaces entre les atomes de la suivante - cela donne des propriétés électroniques souhaitables.
« Si vous voulez beaucoup de bicouches empilées A-B, c'est la seule façon de le faire, " dit-il.
L'astuce tire parti d'une technique développée à l'origine dans les années 1950 et 1960 par le professeur Mildred Dresselhaus du MIT Institute, entre autres :Les composés de brome ou de chlore introduits dans un bloc de graphite se retrouvent naturellement dans la structure du matériau, s'insérant régulièrement entre une couche sur deux, ou dans certains cas une couche sur trois, et en poussant les couches légèrement plus loin dans le processus. Strano et son équipe ont découvert que lorsque le graphite est dissous, il se désagrège naturellement là où se trouvent les atomes ajoutés, formant des flocons de graphène de deux ou trois couches d'épaisseur.
« Parce que ce processus de dispersion peut être très doux, nous nous retrouvons avec des flocons beaucoup plus gros que quiconque a fait en utilisant d'autres méthodes, dit Strano. « Le graphène est un matériau très fragile, cela nécessite donc un traitement en douceur.
De telles formations sont « l'un des candidats les plus prometteurs pour la nanoélectronique post-silicium, », disent les auteurs dans leur article. Les flocons produits par cette méthode, aussi grand que 50 micromètres carrés de superficie, sont assez grands pour être utiles pour les applications électroniques, ils disent. Pour prouver le point, ils ont pu fabriquer des transistors simples sur le matériau.
Le matériau peut maintenant être utilisé pour explorer le développement de nouveaux types de dispositifs électroniques et optoélectroniques, dit Strano. Et contrairement à l'approche du « scotch » pour fabriquer du graphène, « notre approche est industriellement pertinente, ", dit Strano.
James Tour, professeur de chimie et de génie mécanique et science des matériaux à l'Université Rice, qui n'a pas participé à cette recherche, dit que le travail impliquait des « expériences brillantes » qui ont produit des statistiques convaincantes. Il a ajouté que des travaux supplémentaires seraient nécessaires pour améliorer le rendement du matériau de graphène utilisable dans leurs solutions, maintenant à environ 35 à 40 pour cent, à plus de 90 pour cent. Mais une fois que c'est fait, il dit, this solution-phase method could dramatically lower the cost of these unique materials and speed the commercialization of them in applications such as optical electronics and conductive composites.
While its hard to predict how long it will take to develop this method to the point of commercial applications, Strano says, its coming about at a breakneck pace. A similar solvent-based method for making single-layer graphene is already being used to manufacture some flat-screen television sets, and this is definitely a big step toward making bilayer or trilayer devices, he says.
The work was supported by grants from the U.S. Office of Naval Research through a multi-university initiative that includes Harvard University and Boston University along with MIT, as well as from the Dupont/MIT Alliance, a David H. Koch fellowship, and the Army Research Office through the Institute for Soldier Nanotechnologies at MIT.
