(Phys.org) —Le prodige Le matériau graphène est une couche épaisse d'un atome de graphite (une autre forme cristalline de carbone) dans laquelle les atomes de carbone sont disposés selon un motif hexagonal régulier. Étant très fort, léger, presque transparent, et un excellent conducteur de chaleur et d'électricité, trouve de nouvelles applications à un rythme vertigineux. Ce n'est pas surprenant, étant donné que ses innombrables caractéristiques incluent son électronique, optique, excitonique, thermique, transport de rotation, effet Hall quantique anormal, mécanique, et d'autres propriétés uniques. Bien que l'une des propriétés mécaniques attrayantes du graphène soit sa flexibilité, la plupart des recherches sur ces propriétés ont été menées sur des substrats rigides tels que le dioxyde de silicium ou le quartz. Un substrat rigide convient aux transistors ou aux dispositifs photoélectriques, mais l'application de graphène sur des substrats flexibles a de nombreuses applications, comme l'électronique organique (utilisée dans les cellules solaires, diodes électroluminescentes, technologie d'écran tactile, photodétecteurs, et membranes de séparation moléculaire), photonique, et optoélectronique. Actuellement, il y a peu d'activité signalée dans le transfert de graphène sur des substrats flexibles, et ceux-ci utilisent généralement du polyméthacrylate de méthyle (PMMA) comme membrane intermédiaire – l'inconvénient étant que la membrane doit être retirée après le transfert. Récemment, cependant, scientifiques du MIT, L'Université d'Alabama et l'Universidade Federal de Minas Gerais ont conçu un sans PMMA, technique de stratification directe pour transférer du graphène sur divers substrats flexibles. Bien que leur méthode de transfert direct ne fonctionne pas sur des substrats hydrophiles comme le papier ou le tissu, la nouvelle technique peut également fonctionner avec succès dans ces travaux en utilisant le PMMA comme modificateur de surface ou adhésif - une capacité qui, selon eux, créera des opportunités pour l'électronique omniprésente ou portable.

Le professeur Paulo T. Araujo et le professeur Jing Kong ont discuté de la recherche que leurs étudiants, Luiz Gustavo Pimenta et Yi Song, et ses collègues dans une interview avec Phys.org. "Le concept derrière la technique de laminage est simple et, comme on peut le voir dans les références de notre article, nous n'étions pas les premiers à l'appliquer, " Araujo dit à Phys.org. " Cependant, nous étaient les premiers à l'appliquer de manière très propre, c'est-à-dire sans l'aide de membranes intermédiaires telles que le PMMA, ou des colles telles que des rubans thermiques. » Les principaux défis qu'ils ont rencontrés, note-t-il, optimisaient des paramètres tels que la température de la machine de laminage, et fabriquer la composition en couches appropriée des substrats cibles, graphène, feuille de cuivre, et des pellicules protectrices. "En outre, " Araujo ajoute, « nous avions besoin de comprendre les différences et les similitudes entre les substrats que nous utilisions. Par exemple, un substrat très poreux nécessite une stratégie de transfert différente à partir de laquelle est très lisse."

Araujo note que la nouvelle méthode de transfert contraste spécifiquement avec les méthodes précédentes en termes de rapidité et de simplicité. "En bref, la méthode de transfert la plus utilisée consiste à appliquer par centrifugation du PMMA sur une feuille de cuivre avec du graphène cultivé dessus. Après ça, l'ensemble tonnelier/graphene/PMMA est laissé dans un graveur tonnelier pendant 30 minutes, qui élimine le tonnelier, ne laissant que le graphène/PMMA survit. Prochain, on rince l'ensemble graphène/PMMA avec de l'eau déminéralisée et on le termine avec le substrat cible. Finalement, l'acétone ou le recuit est utilisé pour se débarrasser du PMMA. L'ensemble du processus prend environ 1 à 1,5 heures." La nouvelle méthode de transfert direct élimine la plupart des étapes ci-dessus, sauf ceux impliquant le décapant au cuivre et le nettoyage à l'eau déionisée. "Par conséquent, " il ajoute, "Je dirais que le transfert direct fait gagner environ une demi-heure."

Araujo souligne qu'un facteur clé a été d'identifier les facteurs importants nécessaires pour un transfert réussi sur des substrats nus. "La première étape a été d'identifier les différences et les similitudes entre les substrats que nous avons utilisés, ou qui pourrait être utilisé, dans notre recherche - à savoir, si poreux/non poreux, hydrophobe/hydrophile, doux dure, comportement de sous variation de température, etc. Puis, par un plan minutieux et méthodique, nous avons dû exclure ces différences/similitudes qui n'ont joué aucun rôle dans le transfert." Cette étape était particulièrement laborieuse, Araujo dit, car il impliquait de multiples expériences de transfert direct menées dans des conditions extrêmement variées. À la suite de cet effort, les scientifiques ont conclu que les facteurs de substrat cible les plus importants étaient son hydrophobie et sa zone de contact avec l'ensemble graphène/cuivre.

Quant aux substrats ne convenant pas à un transfert direct, l'équipe a également déterminé que le PMMA peut être utilisé soit comme modificateur de surface, soit comme colle pour assurer un transfert réussi du graphène. "D'abord, nous devions voir si notre prédiction d'hydrophobie était correcte - et le PMMA était un choix très pratique, puisqu'il est hydrophobe, " explique Araujo, "et. les substrats hydrophobes ont très bien fonctionné pour le transfert. Nous avons donc demandé si nous pouvions transformer un substrat hydrophile, avec lequel le transfert avait précédemment échoué, en un substrat hydrophobe." La réponse était oui - et nous pouvons utiliser du PMMA, car il est doux (ce qui signifie qu'ils pourraient potentiellement atteindre la transition de température vitreuse nécessaire) et hydrophobe. "Toutefois, " il ajoute, " cela nous a conduit à une autre question :si nous tournons du PMMA sur le substrat hydrophile, le transfert fonctionnera-t-il ?" Les tests ont montré que c'était le cas, permettant le transfert de graphène sur tissu et papier.

Concernant la démonstration de l'équipe que les multicouches permettent de placer des feuilles conductrices de grande surface sur la plupart des substrats étudiés, Kong reconnaît que cette étape était simple du point de vue du transfert direct. "Comme le graphène est hydrophobe, et en supposant que le premier transfert a réussi, nous pourrions effectuer plusieurs transferts avec succès, " précise-t-il. " La partie la plus difficile a été de capturer des images au microscope électronique à balayage de plusieurs graphènes sur les substrats flexibles. étant des isolants, les substrats se chargent très facilement électriquement, ce qui nous a empêché de voir l'ensemble substrat/graphène. Aussi, les mesures de résistance de feuille étaient délicates, car les substrats fragiles sont très souvent endommagés par les sondes."

En relevant ces défis, Araujo dit que l'idée clé est venue de la réflexion sur les facteurs critiques de l'interaction entre le graphène et le PMMA/bandes thermiques. « La grande innovation a certainement été de montrer que, pour la plupart des substrats commerciaux, nous n'avons pas besoin d'utiliser de membrane intermédiaire pour transférer le graphène sur les substrats flexibles. L'absence des membranes intermédiaires permet un transfert propre qui améliore grandement la qualité du matériau transféré. Finalement, de mon point de vue, c'est fantastique de montrer que l'on peut transférer du graphène sur du tissu ou du papier en traitant ensuite avec une membrane PMMA qui offre l'environnement nécessaire pour faire fonctionner le transfert - une méthode peut facilement être décrite comme une nouvelle technique pour transférer du graphène dans cette classe de substrats. "

Dans le futur proche, Kong dit qu'il y aura un fort besoin de moyens alternatifs de récolte d'énergie. "Dans ce contexte, " elle explique, « la capacité de synthétiser, de manipuler et de transférer de manière adéquate les matériaux pertinents de la station de croissance aux plates-formes cibles est un problème majeur, puisque ces étapes détermineront la qualité du produit final. La croissance du graphène est déjà assez avancée - et ce que nous proposons avec cette recherche est une recette simple pour effectuer de multiples transferts de matériaux tout en évitant les contaminants apportés par les procédures standard "à base de colle".

Araujo voit cette avancée conduire à une nouvelle ère d'écrans tactiles flexibles de haute qualité, diodes électroluminescentes flexibles, capteurs flexibles, filtres à gaz et cellules solaires. Par ailleurs, il note qu'avec l'intérêt émergent pour les nouveaux matériaux en couches - par exemple, Nitrure de bore, dichalcogénures de métaux de transition, et oxydes – il deviendra possible de fabriquer des hétérostructures en intercalant différents matériaux. "Les différentes façons dont on intercale les matériaux en couches offrent une toute nouvelle classe d'applications impliquant l'électronique, spintronique, supraconductivité et optoélectronique, " dit Araujo, ajoutant que la procédure de transfert sans résidus pourrait également représenter une avancée dans la construction d'hétérostructures de haute qualité.

« En ce qui concerne les prochaines étapes prévues dans notre recherche, " Kong continue, « l'extension de notre méthodologie devrait être testée avec d'autres matériaux stratifiés tels que, dont le nitrure de bore, les dichalcogénures et oxydes de métaux de transition ceux mentionnés ci-dessus ainsi que d'autres substrats. Une étude plus approfondie concernant les températures déterminant le transfert chaud/froid devrait également être menée."

Un autre défi cité par Araujo est la qualité structurelle du matériau transféré. « Même si nous avons démontré le concept de transfert sans résidus et abordé les raisons d'un transfert réussi, la continuité du film transféré n'est toujours pas à l'état de l'art. Le manque de continuité est le bienvenu pour certaines applications, tels que les filtres - mais ce n'est pas souhaitable dans la production de, par exemple, appareils à écran tactile de haute qualité. Aussi, " conclut-il, " l'extension de cette technique pour effectuer ce transfert sans résidus sur des substrats rigides est toujours un défi - et il convient de rappeler que même si l'attrait technologique des dispositifs flexibles est élevé, de nombreuses applications impliquant, par exemple, circuits logiques, sont encore fortement liés aux substrats rigides."

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