Les modèles structurels de graphène hexagonal "anneaux d'oignon" montrent une couche de graphène, une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur, au sommet d'un ensemble de nanorubans concentriques. Les rubans croissent par dépôt chimique en phase vapeur sous haute pression, atmosphère riche en hydrogène. Crédit :Yuanyue Liu/Université du riz
Des hexagones concentriques de graphène cultivés dans un four à l'Université Rice représentent la première fois que quelqu'un synthétise des nanorubans de graphène sur du métal de bas en haut, atome par atome.
Vu au microscope, les couches m'ont fait penser aux oignons, a déclaré James Tour, chimiste de Rice, jusqu'à ce qu'un collègue suggère que le graphène plat ne puisse jamais être comme un oignon.
"Alors j'ai dit, 'D'ACCORD, ce sont des rondelles d'oignon, '", a plaisanté Tour.
Le nom est resté, et les anneaux remarquables que les chimistes s'émerveillaient étaient même possibles sont décrits dans un nouvel article dans le Journal de l'American Chemical Society .
Le défi était de comprendre comment une telle chose pouvait grandir, Tour dit. D'habitude, le graphène cultivé dans un four chaud par dépôt chimique en phase vapeur commence sur une graine, un grain de poussière ou une bosse sur une surface en cuivre ou autre métal. Un atome de carbone s'accroche à la graine dans un processus appelé nucléation et d'autres suivent pour former la grille de grillage familière.
Des expériences dans le laboratoire de Tour pour voir comment le graphène se développe sous haute pression et dans un environnement riche en hydrogène ont produit les premiers anneaux. Dans ces conditions, Visiter, Le physicien théoricien de Rice Boris Yakobson et leurs équipes ont découvert que le bord entier d'une feuille de graphène à croissance rapide devient un site de nucléation lorsqu'il est hydrogéné. Le bord laisse passer les atomes de carbone sous la peau du graphène, où ils commencent une nouvelle feuille.
Mais parce que le top graphène pousse si vite, il arrête finalement le flux d'atomes de carbone vers la nouvelle feuille en dessous. Le fond cesse de grandir, laissant un anneau de graphène. Ensuite, le processus se répète.
Une image au microscope électronique de graphène "anneaux d'oignon" montre le concentrique, rubans sombres à travers la feuille de graphène sus-jacente. Les rubans suivent la forme de la feuille de graphène en croissance, qui prend la forme d'un hexagone. Crédit :Tour Group/Rice University
"Le mécanisme repose sur cette couche supérieure pour empêcher le carbone d'atteindre le fond si facilement, ", a déclaré Tour. "Ce que nous obtenons, c'est un multiple de monocristaux qui poussent les uns sur les autres."
Le laboratoire Tour a été le pionnier de la fabrication en masse de nanorubans de graphène à un seul atome d'épaisseur en 2009 avec la découverte que les nanotubes de carbone pouvaient être chimiquement "décompressés" en longs, feuilles minces. Les nanorubans sont à l'étude pour une utilisation dans les batteries et l'électronique de pointe et comme dissipateurs thermiques.
« Habituellement, vous faites un ruban en prenant une grande chose et en la coupant, " dit Tour. " Mais si vous pouvez faire pousser un ruban de bas en haut, vous pourriez avoir le contrôle des bords." La configuration atomique au bord aide à déterminer les propriétés électriques du graphène. Les bords des rondelles d'oignon hexagonales en graphène sont des zigzags, qui rendent les anneaux métalliques.
"La grande nouvelle ici, " il a dit, « est-ce que nous pouvons modifier les pressions relatives de l'environnement de croissance de l'hydrogène par rapport au carbone et obtenir des structures entièrement nouvelles. Ceci est radicalement différent du graphène ordinaire. »
Étudiant diplômé Zheng Yan, membre du laboratoire de Tour et auteur principal de l'article, découvert la nouvelle voie vers les nanorubans tout en expérimentant la croissance du graphène sous pression d'hydrogène à des degrés divers. Le sweet spot pour les bagues était à 500 Torr, il a dit.
Des tests supplémentaires ont révélé que les anneaux microscopiques se formaient en dessous et non au-dessus de la feuille, et le laboratoire de Yakobson a confirmé le mécanisme de croissance par des calculs de premier principe. Yan a également déterminé que la feuille supérieure de graphène pouvait être enlevée avec du plasma d'argon, laissant des anneaux autonomes.
La largeur des anneaux, qui variait de 10 à 450 nanomètres, affecte également leurs propriétés électroniques, trouver un moyen de le contrôler sera donc l'un des axes de la recherche continue, Tour dit. « Si nous pouvons fabriquer régulièrement des rubans de 10 nanomètres, nous pouvons commencer à les gater et les transformer en transistors basse tension, ", a-t-il déclaré. Ils peuvent également convenir au stockage du lithium pour les batteries lithium-ion avancées, il a dit.
