Les images de microscopie en fausses couleurs montrent des exemples de graphène à croissance lente, résultant en de grands patchs avec une mauvaise couture, et le graphène pousse plus vite, résultant en des patchs plus petits avec des coutures plus serrées et de meilleures performances. (Laboratoire Muller)
(Phys.org) - Semblable à la façon dont des points plus serrés permettent d'obtenir une courtepointe de meilleure qualité, la "couture" entre les cristaux individuels de graphène affecte la façon dont ces monocouches de carbone conduisent l'électricité et conservent leur force, Rapport des chercheurs de Cornell.
La qualité de cette "couture" - les limites auxquelles les cristaux de graphène se développent ensemble et forment des feuilles - est tout aussi importante que la taille des cristaux eux-mêmes, que les scientifiques pensaient auparavant détenir la clé pour fabriquer un meilleur graphène.
Les chercheurs, dirigé par Jiwoong Park, professeur adjoint de chimie et de biologie chimique et membre de l'Institut Kavli de Cornell pour la science à l'échelle nanométrique, utilisé des techniques avancées de mesure et d'imagerie pour faire ces déclarations, détaillé en ligne dans la revue Science 1 juin.
Le graphène est une couche unique d'atomes de carbone, et les scientifiques des matériaux sont engagés dans une sorte de course aux armements pour manipuler et améliorer ses propriétés étonnantes - résistance à la traction, conductance électrique élevée, et applications potentielles en photonique, photovoltaïque et électronique. Les dessins animés représentent le graphène comme un parfait grillage atomique qui s'étire à l'infini.
En réalité, le graphène est polycristallin; il est cultivé via un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur, dans lequel de petits cristaux, ou céréales, au hasard des orientations se développent d'elles-mêmes et finissent par se rejoindre en liaisons carbone-carbone.
Image au microscope électronique à balayage (MEB) de cristaux de graphène poussant sur du cuivre. L'encart est une image SEM en fausses couleurs d'un appareil électrique constitué d'un joint de grain unique en graphène. (Wei Tsen/Laboratoire du parc)
Dans des travaux antérieurs publiés dans Nature en janvier dernier, le groupe Cornell avait utilisé la microscopie électronique pour comparer ces feuilles de graphène à des courtepointes en patchwork - chaque "patch" représenté par l'orientation des grains de graphène (et faussement colorés pour les rendre jolis).
Ils, avec d'autres scientifiques, s'est demandé comment les propriétés électriques du graphène tiendraient en fonction de sa nature polycristalline. La sagesse conventionnelle et certaines mesures indirectes antérieures avaient conduit les scientifiques à supposer que la croissance du graphène avec des cristaux plus gros - moins de plaques - pourrait améliorer ses propriétés.
La nouvelle œuvre remet en cause ce dogme. Le groupe a comparé les performances du graphène en fonction de différents taux de croissance par dépôt chimique en phase vapeur ; certains ils ont grandi plus lentement, et d'autres, très rapidement. Ils ont constaté que plus réactif, graphène à croissance rapide, avec plus de patchs, à certains égards, a mieux performé électroniquement que le graphène à croissance plus lente avec des patchs plus grands.
Comme ça s'est apparu, une croissance plus rapide a conduit à des coutures plus serrées entre les grains, qui a amélioré les performances du graphène, par opposition aux grains plus gros qui étaient plus lâchement maintenus ensemble.
"Ce qui est important ici, c'est que nous devons promouvoir l'environnement de croissance afin que les grains s'assemblent bien, " Park a déclaré. "Ce que nous montrons, c'est que les joints de grains étaient une préoccupation majeure, mais il se peut que cela n'ait pas d'importance. Nous constatons que c'est probablement OK."
Les techniques complexes utilisées pour effectuer les mesures étaient d'égale importance à ces observations, ce qui n'est pas une tâche facile. Un procédé de lithographie par faisceau d'électrons en quatre étapes, développé par Adam Tsen, un étudiant diplômé en physique appliquée et le premier auteur de l'article, a permis aux chercheurs de placer des électrodes sur du graphène, directement au-dessus d'un substrat membranaire de 10 nanomètres d'épaisseur pour mesurer les propriétés électriques des joints de grains uniques.
"Notre technique donne le ton de la façon dont nous pouvons mesurer des matériaux atomiquement minces à l'avenir, " ajouta Park.
Collaborateurs dirigés par David A. Muller, professeur de physique appliquée et d'ingénierie et co-directeur de l'Institut Kavli à Cornell pour la science à l'échelle nanométrique, utilisé des techniques avancées de microscopie électronique à transmission pour aider le groupe de Park à imager leur graphène afin de montrer les différences dans la taille des grains.
Le travail a été soutenu par le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force, et la National Science Foundation par le biais du Cornell Center for Materials Research. La fabrication a été réalisée au Cornell NanoScale Science and Technology Facility.
