De nouvelles observations pourraient améliorer la production industrielle de graphène de haute qualité, accélérer l'ère de l'électronique grand public à base de graphène, grâce aux ingénieurs de l'Université de l'Illinois.

En combinant les données de plusieurs techniques d'imagerie, l'équipe a découvert que la qualité du graphène dépend de la structure cristalline du substrat de cuivre sur lequel il pousse. Dirigé par les professeurs de génie électrique et informatique Joseph Lyding et Eric Pop, les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue Lettres nano .

"Le graphène est un matériau très important, " Lyding a déclaré. "L'avenir de l'électronique peut en dépendre. La qualité de sa production est l'un des principaux problèmes non résolus de la nanotechnologie. C'est un pas dans la direction de la résolution de ce problème."

Pour produire de grandes feuilles de graphène, le méthane est acheminé dans un four contenant une feuille de cuivre. Quand le méthane heurte le cuivre, les liaisons carbone-hydrogène se fissurent. L'hydrogène s'échappe sous forme de gaz, tandis que le carbone colle à la surface du cuivre. Les atomes de carbone se déplacent jusqu'à ce qu'ils se trouvent et se lient pour former du graphène. Le cuivre est un substrat attrayant car il est relativement bon marché et favorise la croissance du graphène monocouche, ce qui est important pour les applications électroniques.

"C'est une solution très rentable, moyen simple de fabriquer du graphène à grande échelle, " dit Joshua Wood, un étudiant diplômé et l'auteur principal de l'article.

"Toutefois, cela ne prend pas en considération les subtilités de la croissance du graphène, " Il a dit. " Comprendre ces subtilités est important pour faire de haute qualité, électronique haute performance."

Alors que le graphène cultivé sur du cuivre a tendance à être meilleur que le graphène cultivé sur d'autres substrats, il reste criblé de défauts et de tranches multicouches, excluant les applications hautes performances. Les chercheurs ont émis l'hypothèse que la rugosité de la surface du cuivre peut affecter la croissance du graphène, mais le groupe de l'Illinois a découvert que la structure cristalline du cuivre est plus importante.

Les feuilles de cuivre sont un patchwork de différentes structures cristallines. Lorsque le méthane tombe sur la surface de la feuille, les formes des cristaux de cuivre qu'il rencontre affectent la façon dont les atomes de carbone forment le graphène.

Différentes formes de cristal se voient attribuer des numéros d'index. En utilisant plusieurs techniques d'imagerie avancées, l'équipe de l'Illinois a découvert que les plaques de cuivre avec des indices plus élevés ont tendance à avoir une croissance de graphène de qualité inférieure. Ils ont également découvert que deux structures cristallines communes, numérotés (100) et (111), avoir la pire et la meilleure croissance, respectivement. Les (100) cristaux ont une forme cubique, avec de grands écarts entre les atomes. Pendant ce temps, (111) a une structure hexagonale dense.

"Dans la configuration (100), les atomes de carbone sont plus susceptibles de se coller dans les trous du cuivre au niveau atomique, puis ils s'empilent verticalement plutôt que de se diffuser et de croître latéralement, " dit Wood. " La surface (111) est hexagonale, et le graphène est également hexagonal. Cela ne veut pas dire qu'il y a un match parfait, mais qu'il y a une correspondance préférée entre les surfaces."

Les chercheurs sont maintenant confrontés à un équilibre entre le coût de tout le cuivre (111) et la valeur du cuivre de haute qualité, graphène sans défaut. Il est possible de produire du cuivre monocristallin, mais c'est difficile et d'un coût prohibitif.

L'équipe de l'U. of I. suppose qu'il serait possible d'améliorer la fabrication des feuilles de cuivre afin qu'elles contiennent un pourcentage plus élevé de (111) cristaux. Le graphène cultivé sur une telle feuille ne serait pas idéal, mais peut être "assez bon" pour la plupart des applications.

"La question est, comment l'optimiser tout en maintenant la rentabilité des applications technologiques ?", a déclaré Pop, un co-auteur de l'article. « En tant que communauté, nous écrivons toujours le livre de cuisine pour le graphène. Nous affinons constamment nos techniques, essayer de nouvelles recettes. Comme pour toute technologie à ses débuts, nous explorons toujours ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas."

Prochain, les chercheurs espèrent utiliser leur méthodologie pour étudier la croissance d'autres matériaux bidimensionnels, y compris des isolants pour améliorer les performances des appareils au graphène. Ils prévoient également de poursuivre leurs observations en cultivant du graphène sur du cuivre monocristallin.

« Il y a beaucoup de confusion dans le secteur du graphène en ce moment, " Lyding a déclaré. "Le fait qu'il existe une différence d'observation claire entre ces différents indices de croissance aide à orienter la recherche et conduira probablement à des expériences plus quantitatives ainsi qu'à une meilleure modélisation. Ce journal oriente les choses dans cette direction."