Quand il s'agit de la croissance du graphène - un ultra-mince, ultra forte, matériau tout en carbone - c'est la survie du plus fort, selon des chercheurs de l'Université du Texas à Austin.

L'équipe a utilisé de l'oxygène de surface pour faire croître des cristaux de graphène uniques de la taille d'un centimètre sur du cuivre. Les cristaux étaient environ 10, 000 fois plus gros que les plus gros cristaux d'il y a seulement quatre ans. Les très gros monocristaux ont des propriétés électriques exceptionnelles.

"Le jeu auquel nous jouons est que nous voulons que la nucléation (la croissance de minuscules "graines de cristal") se produise, mais nous voulons aussi exploiter et contrôler le nombre de ces minuscules noyaux, et qui grandira, " a déclaré Rodney S. Ruoff, professeur à la Cockrell School of Engineering. "L'oxygène à la bonne concentration de surface signifie que seuls quelques noyaux se développent, et les gagnants peuvent devenir de très gros cristaux."

L'équipe, dirigée par le boursier postdoctoral Yufeng Hao et Ruoff du département de génie mécanique et du programme de science et génie des matériaux, avec Luigi Colombo, un scientifique des matériaux chez Texas Instruments—a travaillé pendant trois ans sur la méthode de croissance du graphène. Le papier de l'équipe, "Le rôle de l'oxygène de surface dans la croissance du graphène monocristallin de grande taille sur le cuivre, " figure sur la couverture du 8 novembre, 2013, problème de Science .

L'un des matériaux les plus résistants au monde, le graphène est flexible et possède une conductivité électrique et thermique élevée qui en fait un matériau prometteur pour l'électronique flexible, cellules solaires, batteries et transistors à grande vitesse. La compréhension de l'équipe de la façon dont la croissance du graphène est influencée par différentes quantités d'oxygène de surface est une étape majeure vers l'amélioration des films de graphène de haute qualité à l'échelle industrielle.

La méthode de l'équipe « est une percée fondamentale, ce qui conduira à la croissance d'un film de graphène de haute qualité et de grande surface, " a déclaré Sanjay Banerjee, qui dirige la South West Academy of Nanoelectronics (SWAN) de la Cockrell School. "En augmentant la taille des domaines monocristallins, les propriétés de transport électronique seront considérablement améliorées et conduiront à de nouvelles applications dans l'électronique flexible."

Le graphène a toujours été cultivé sous une forme polycristalline, C'est, il est composé de nombreux cristaux qui sont reliés entre eux par des liaisons chimiques irrégulières aux frontières entre les cristaux (« joints de grains »), quelque chose comme une courtepointe en patchwork. Le graphène monocristallin de grande taille est d'un grand intérêt car les joints de grains dans les matériaux polycristallins présentent des défauts, et l'élimination de ces défauts permet d'obtenir un meilleur matériau.

En contrôlant la concentration d'oxygène de surface, les chercheurs pourraient augmenter la taille du cristal d'un millimètre à un centimètre. Plutôt que des cristaux de forme hexagonale et plus petits, l'ajout de la bonne quantité d'oxygène de surface produit des monocristaux beaucoup plus gros avec des bords multibranchés, semblable à un flocon de neige.

"À long terme, il pourrait être possible d'obtenir des monocristaux d'un mètre de long, " a déclaré Ruoff. " Cela a été possible avec d'autres matériaux, comme le silicium et le quartz. Même une taille de cristal d'un centimètre, si les joints de grains ne sont pas trop défectueux, est extrêmement importante. »

"Nous pouvons commencer à penser à l'utilisation potentielle de ce matériau dans les avions et dans d'autres applications structurelles - s'il s'avère exceptionnellement solide à des échelles de longueur comme des parties d'une aile d'avion, etc, " il a dit.

Une autre découverte majeure de l'équipe était que la "mobilité des porteurs" des électrons (à quelle vitesse les électrons se déplacent) dans les films de graphène cultivés en présence d'oxygène de surface est exceptionnellement élevée. Ceci est important car la vitesse à laquelle les porteurs de charge se déplacent est importante pour de nombreux appareils électroniques - plus la vitesse est élevée, plus l'appareil peut fonctionner rapidement.

Yufeng Hao dit qu'il pense que les connaissances acquises dans cette étude pourraient s'avérer utiles à l'industrie.

"La haute qualité du graphène cultivé par notre méthode sera probablement encore développée par l'industrie, et cela permettra à terme aux appareils d'être plus rapides et plus efficaces, " a dit Hao.

Les films monocristallins peuvent également être utilisés pour l'évaluation et le développement de nouveaux types de dispositifs qui nécessitent une plus grande échelle que ce qui pouvait être réalisé auparavant, ajouta Colombo.

"En ce moment, il n'y a pas d'autres techniques rapportées qui peuvent fournir des films transférables de haute qualité, " a déclaré Colombo. " Le matériau que nous avons pu faire croître sera beaucoup plus uniforme dans ses propriétés qu'un film polycristallin. "