Les régions rouges représentent des plis dans le graphène, alors que les régions vertes sont des domaines relativement plats. Les "collines et vallées" présentes dans le nuage d'électrons peuvent agir comme des ralentisseurs empêchant le flux de charge à travers le graphène. Idéalement, pour l'électronique haute performance, on aimerait une topographie du Midwest :complètement plate, qui apparaîtrait tout vert. Crédit :Brian J. Schultz et Christopher J. Patridge, Université de Buffalo
Une équipe de recherche dirigée par des chimistes de l'Université de Buffalo a utilisé des sources de lumière synchrotron pour observer les nuages d'électrons à la surface du graphène, produisant une série d'images qui révèlent comment les plis et les ondulations du matériau remarquable peuvent nuire à sa conductivité.
La recherche, devrait paraître le 28 juin dans Nature Communications, a été menée par UB, l'Institut national des normes et de la technologie (NIST), la fonderie moléculaire du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), et SEMATECH, un consortium mondial de fabricants de semi-conducteurs.
Graphène, le matériau le plus fin et le plus résistant connu de l'homme, se compose d'une seule couche d'atomes de carbone liés dans un arrangement en nid d'abeille.
La structure spéciale du graphène le rend incroyablement conducteur :dans des circonstances idéales, lorsque le graphène est complètement plat, les charges électriques le traversent sans rencontrer de nombreux obstacles, dit Sarbajit Banerjee, l'un des chercheurs de l'UB qui a dirigé l'étude en Communication Nature .
Mais les conditions ne sont pas toujours optimales.
Les nouvelles images capturées par Banerjee et ses collègues montrent que lorsque le graphène est plié ou plié, le nuage d'électrons qui tapisse sa surface se déforme également, rendant plus difficile le passage d'une charge électrique.
"Quand le graphène est plat, les choses côtoient en quelque sorte le nuage. Ils n'ont pas à sauter sur quoi que ce soit. C'est comme une autoroute, " dit Banerjee, un professeur assistant de chimie. "Mais si tu le plies, maintenant il y a des obstacles; imaginez la différence entre une autoroute fraîchement pavée et une autre avec des travaux de construction sur toute la longueur forçant des changements de voie.
"Quand nous avons imagé le nuage d'électrons, vous pouvez imaginer ce gros oreiller moelleux, et nous avons vu que l'oreiller est plié ici et là, " dit Banerjee, dont le prix CARRIÈRE de la National Science Foundation a fourni le financement principal du projet.
Pour créer les images et comprendre les facteurs perturbant le nuage d'électrons, Banerjee et ses partenaires ont utilisé deux techniques qui nécessitaient l'utilisation d'un synchrotron :un type de spectroscopie d'absorption. Les expériences ont été étayées par des simulations informatiques effectuées sur des grappes de calcul au Berkeley Lab.
Les lignes pointillées montrent des régions distinctives du graphène qui sont inclinées à différents angles. Les rayons X mous peignent une vue à vol d'oiseau du nuage d'électrons de graphène. Crédit :Brian J. Schultz, Université de Buffalo
« À l'aide de simulations, on comprend mieux les mesures que nos confrères ont faites à l'aide de rayons X, et mieux prédire comment des changements subtils dans la structure du graphène affectent ses propriétés électroniques, " a déclaré David Prendergast, membre du personnel scientifique de la Theory of Nanostructures Facility de la Molecular Foundry du Berkeley Lab. "Nous avons vu que les régions du graphène étaient inclinées à différents angles, comme regarder les toits inclinés de nombreuses maisons serrées les unes contre les autres."
En plus de documenter comment les plis du graphène déforment son nuage d'électrons, l'équipe de recherche a découvert que les contaminants qui s'accrochent au graphène pendant le traitement s'attardent dans les vallées où le matériau est inégal. De tels contaminants déforment uniquement le nuage d'électrons, changer la force avec laquelle le nuage est lié aux atomes sous-jacents.
Les propriétés inhabituelles du graphène ont suscité l'enthousiasme dans des secteurs tels que l'informatique, énergie et défense. Les scientifiques disent que la conductivité électrique du graphène correspond à celle du cuivre, et que la conductivité thermique du graphène est la meilleure de tous les matériaux connus.
Mais le nouveau, Une étude menée par UB suggère que les entreprises souhaitant incorporer du graphène dans des produits tels que les encres conductrices, les transistors ultrarapides et les panneaux solaires pourraient bénéficier de recherches plus fondamentales sur le nanomatériau. Des processus améliorés de transfert de feuilles plates de graphène sur des produits commerciaux pourraient augmenter considérablement l'efficacité de ces produits.
"Beaucoup de gens savent comment faire pousser du graphène, mais on ne comprend pas bien comment le transférer sur quelque chose sans qu'il se replie sur lui-même, " Banerjee a déclaré. "Il est très difficile de rester droit et plat, et notre travail fait vraiment comprendre pourquoi c'est si important."
"Le graphène va être très important dans l'électronique, " a déclaré le doctorant Brian Schultz, l'un des trois étudiants diplômés de l'UB qui étaient les principaux auteurs de la Communication Nature papier. "Ce sera l'un des matériaux les plus conducteurs jamais trouvés, et il a la capacité d'être utilisé comme transistor ultra-haute fréquence ou comme remplacement possible des puces de silicium, l'épine dorsale de l'électronique commerciale actuelle.
"Quand le graphène a été découvert, les gens étaient tellement excités que c'était un si bon matériel que les gens voulaient vraiment aller avec et courir aussi vite que possible, " Schultz a poursuivi. " Mais ce que nous montrons, c'est que vous devez vraiment faire des recherches fondamentales avant de comprendre comment le traiter et comment l'intégrer dans l'électronique. "
