(Phys.org) -- Des scientifiques et des ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Milwaukee (UWM) ont découvert un tout nouveau matériau à base de carbone qui est synthétisé à partir du « enfant miracle » de la famille du carbone, graphène. La découverte, que les chercheurs appellent « monoxyde de graphène (OGM), ” rapproche les matériaux en carbone de l'avènement de l'électronique de nouvelle génération.

Graphène, une couche de carbone d'un atome d'épaisseur qui ressemble à une feuille plate de grillage à l'échelle nanométrique, a le potentiel de révolutionner l'électronique car il conduit l'électricité bien mieux que les fils d'or et de cuivre utilisés dans les appareils actuels. Les transistors en silicium approchent de la taille minimale à laquelle ils peuvent être efficaces, ce qui signifie que la vitesse des appareils va bientôt toucher le fond. Les matériaux carbonés à l'échelle nanométrique pourraient être le remède.

Actuellement, les applications du graphène sont limitées car il est trop coûteux à produire en masse. Un autre problème est que, jusqu'à maintenant, les matériaux liés au graphène n'existaient qu'en tant que conducteurs ou isolants.

"L'un des principaux moteurs de la communauté de recherche sur le graphène est de rendre le matériau semi-conducteur afin qu'il puisse être utilisé dans des applications électroniques, " dit Junhong Chen, professeur de génie mécanique et membre de l'équipe de recherche. "Notre contribution majeure à cette étude a été obtenue grâce à une modification chimique du graphène."

Les OGM présentent des caractéristiques qui le rendront plus facile à mettre à l'échelle que le graphène. Et, comme le silicium dans la génération actuelle d'électronique, L'OGM est semi-conducteur, nécessaire pour contrôler le courant électrique dans un conducteur aussi fort que le graphène. Maintenant, les trois caractéristiques de la conductivité électrique - conducteur, isolants et semi-conducteurs – se trouvent dans la famille du carbone, offrant la compatibilité nécessaire pour une utilisation dans l'électronique future.

Mélanger théorie et expérimentation

L'équipe a créé OGM tout en menant des recherches sur le comportement d'un nanomatériau hybride conçu par Chen qui se compose de nanotubes de carbone (essentiellement, graphène roulé dans un cylindre) décoré de nanoparticules d'oxyde d'étain. Chen utilise son matériau hybride pour faire de la haute performance, capteurs économes en énergie et peu coûteux.

Pour imager le matériau hybride tel qu'il était en train de détecter, lui et le professeur de physique Marija Gajdardziska ont utilisé un microscope électronique à transmission à haute résolution (HRTEM). Mais pour expliquer ce qui se passait, la paire avait besoin de savoir quelles molécules se fixaient à la surface du nanotube, qui se fixaient à la surface de l'oxyde d'étain, et comment ils ont changé lors de l'attachement.

Le duo s'est donc tourné vers le professeur de physique Carol Hirschmugl, qui a récemment lancé une méthode d'imagerie infrarouge (IR) qui offre non seulement des images haute définition d'échantillons, mais rend également une « signature » chimique qui identifie les atomes qui interagissent lors de la détection.

Chen et Gajdardziska savaient qu'ils auraient besoin d'examiner plus de sites de fixation qu'il n'en existe à la surface d'un nanotube de carbone. Ils ont donc «déroulé» le nanotube dans une feuille de graphène pour obtenir une plus grande surface.

Cela les a incités à rechercher des moyens de fabriquer du graphène à partir de son cousin, oxyde de graphène (GO), un isolant qui peut être mis à l'échelle à peu de frais. GO se compose de couches de graphène empilées les unes sur les autres dans une orientation non alignée. Il fait l'objet de nombreuses recherches alors que les scientifiques recherchent des moyens moins coûteux de reproduire les propriétés supérieures du graphène.

Résultat déroutant

Dans une expérience, ils ont chauffé le GO sous vide pour réduire l'oxygène. Au lieu d'être détruit, cependant, les atomes de carbone et d'oxygène dans les couches de GO se sont alignés, se transformant en « ordonnés, ” OGM semi-conducteur – un oxyde de carbone qui n'existe pas dans la nature.

Ce n'était pas le résultat qu'ils attendaient.

« Nous pensions que l'oxygène s'en irait et laisserait du graphène multicouche, donc l'observation d'autre chose que ça était une surprise, " dit Eric Mattson, un doctorant de Hirschmugl.

À différentes températures élevées, l'équipe a en fait produit quatre nouveaux matériaux qu'ils appellent collectivement OGM. Ils ont capturé une vidéo du processus à l'aide de la diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED) dans un microscope électronique à transmission.

Parce que les OGM sont formés en feuilles simples, Gajdardziska dit que le matériau pourrait avoir des applications dans des produits impliquant une catalyse de surface. Elle, Hirschmugl et Chen étudient également son utilisation dans les parties anodiques des batteries lithium-ion, ce qui pourrait les rendre plus efficaces.

Processus laborieux

Mais la prochaine étape est plus scientifique. L'équipe devra découvrir ce qui a déclenché la réorganisation du matériel, et aussi quelles conditions ruineraient la formation des OGM.

« Dans le processus de réduction, vous vous attendez à perdre de l'oxygène, " dit Michael Weinert, professeur de physique et directeur du Laboratoire d'études de surface de l'UWM. "Mais nous avons en fait gagné plus d'oxygène. Nous sommes donc à un point où nous en apprenons encore plus à ce sujet. »

Weinert souligne qu'ils n'ont fabriqué des OGM qu'à petite échelle dans un laboratoire et ne sont pas certains de ce qu'ils rencontreront en les intensifiant.

L'équipe a dû être prudente dans le calcul de la façon dont les électrons traversaient les OGM, il ajoute. Les interactions qui se produisent ont dû être interprétées à travers un processus minutieux de suivi des indicateurs de structure, puis d'élimination de ceux qui ne correspondaient pas.

"C'était un long processus, " dit Weinert, « Pas un de ces moments ‘Eureka !’.