Le graphène - des atomes de carbone emballés dans un réseau en nid d'abeilles - présente des propriétés physiques et électroniques exceptionnelles que l'on ne trouve pas dans les matériaux conventionnels. Décorer la surface du graphène avec des nanoparticules peut encore améliorer les performances du matériau, mais la technique de fabrication n'est pas sans défis. Verawati Tjoa et ses collègues de l'Institut de technologie de fabrication A*STAR de Singapour et de l'Université technologique de Nanyang ont maintenant démontré un moyen simple de décorer la surface du graphène avec des nanoparticules d'or. Le matériau résultant est plus sensible et polyvalent que le graphène non décoré pour la détection de gaz.

Bien que le graphène de haute pureté puisse être obtenu par exfoliation mécanique de graphite de haute qualité, cette méthode n'est pas adaptée aux applications à grande échelle. Tjoa et son équipe ont concentré leur attention sur l'oxyde de graphène réduit (rGO), ce qui est beaucoup plus accessible et pratique pour les applications, et étudié comment la fixation de nanoparticules d'or peut affecter les propriétés physiques du matériau. Ils ont obtenu des feuilles d'oxyde de graphène réduit (Au-rGO) décorées d'or en immergeant des feuilles d'oxyde de graphène dans de l'acide chloroaurique avant la réduction chimique.

La formation de nanoparticules métalliques a déjà été rapportée auparavant, mais comme l'explique Tjoa « [ce travail] est le premier du genre à étudier les propriétés électroniques de ces systèmes ». La caractérisation électrique montre immédiatement que l'Au-rGO est dopé positivement et a une conductivité plus faible que rGO. La conductivité plus faible est probablement due à la diffusion de charges sur les nanoparticules métalliques. Le dopage positif peut être attribué au transfert d'électrons de l'oxyde de graphène au sel métallique lors de la formation des nanoparticules d'or, comme cela a été confirmé par des expériences de spectroscopie Raman.

Les chercheurs ont trouvé des résultats intéressants en exposant les couches Au-rGO à divers gaz. Dans le cas de l'hydrogène sulfuré, un gaz qui agit comme un donneur d'électrons, la conductivité des couches Au-rGO a montré une forte réduction, indiquant l'injection d'électrons dans la feuille, ce qui à son tour conduit à un nombre inférieur de trous conducteurs. Cette modulation de courant sous exposition au sulfure d'hydrogène est importante car le graphène non modifié est sensible aux gaz oxydants tels que le dioxyde d'azote, mais pas aux gaz toxiques tels que le sulfure d'hydrogène. La sensibilité est également plus élevée lorsque des nanoparticules d'or sont présentes, car ils permettent l'injection de trous supplémentaires dans le plan rGO, résultant en une conductivité plus élevée. Les chercheurs ont également mené des expériences supplémentaires avec du rGO décoré d'argent, donnant des résultats qualitativement similaires.

La sensibilité du matériau décoré de nanoparticules peut être ajustée en modifiant le nombre de nanoparticules attachées. "Ce travail est la première démonstration de la façon dont l'introduction de nanoparticules métalliques pourrait conduire à de nouvelles capacités de détection dans le graphène, ", dit Tjoa.