Les chercheurs du SLAC ont trouvé un nouveau moyen de transformer le graphite - une forme pure de carbone plus connue sous le nom de plomb dans les crayons - en un film semblable à un diamant. Crédit :Fabricio Sousa/SLAC
(Phys.org) —Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques du SLAC a découvert une nouvelle voie potentielle pour produire des films de diamant minces pour une variété d'applications industrielles, des outils de coupe aux appareils électroniques en passant par les capteurs électrochimiques.
Les scientifiques ont ajouté quelques couches de graphène – des feuilles de graphite d'une épaisseur d'un atome – à un support métallique et ont exposé la couche supérieure à l'hydrogène. A leur grande surprise, la réaction à la surface a déclenché un effet domino qui a modifié la structure de toutes les couches de graphène, du graphite au diamant.
"Nous fournissons la première preuve expérimentale que l'hydrogénation peut induire une telle transition dans le graphène, " dit Sarp Kaya, chercheur au SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis et auteur correspondant de la récente étude.
De la mine de crayon au diamant
Le graphite et le diamant sont deux formes du même élément chimique, carbone. Encore, leurs propriétés ne pourraient pas être plus différentes. En graphite, les atomes de carbone sont disposés en feuilles planes qui peuvent facilement glisser les uns contre les autres. Cette structure rend le matériau très doux et peut être utilisé dans des produits tels que la mine de crayon.
En diamant, d'autre part, les atomes de carbone sont fortement liés dans toutes les directions; ainsi le diamant est extrêmement dur. Outre la résistance mécanique, son électrique extraordinaire, les propriétés optiques et chimiques contribuent à la grande valeur du diamant pour les applications industrielles.
Cette illustration montre quatre couches de graphène transformé (feuilles simples de graphite, avec des atomes de carbone représentés par des sphères noires) sur une surface de platine (sphères bleues). L'ajout d'atomes d'hydrogène (sphères vertes) à la couche supérieure a déclenché un effet domino qui a transformé ce matériau semblable au graphite en un film semblable au diamant. Le film est stabilisé par des liaisons entre le substrat de platine et la couche de carbone la plus basse. Crédit :Sarp Kaya et Frank Abild-Pedersen/SUNCAT
Les scientifiques veulent comprendre et contrôler la transition structurelle entre différentes formes de carbone afin de se transformer sélectivement l'une en l'autre. Une façon de transformer le graphite en diamant consiste à appliquer une pression. Cependant, puisque le graphite est la forme de carbone la plus stable dans des conditions normales, il en faut environ 150, 000 fois la pression atmosphérique à la surface de la Terre pour le faire.
Maintenant, une alternative qui fonctionne à l'échelle nanométrique est à portée de main. "Notre étude montre que l'hydrogénation du graphène pourrait être une nouvelle voie pour synthétiser des films ultrafins de type diamant sans appliquer de pression, " dit Kaya.
Effet domino
Pour leurs expériences, les chercheurs ont chargé un support en platine avec jusqu'à quatre feuilles de graphène et ont ajouté de l'hydrogène à la couche supérieure. Avec l'aide des rayons X intenses de la source lumineuse de rayonnement synchrotron Stanford du SLAC (SSRL, Ligne de faisceau 13-2) et calculs théoriques supplémentaires effectués par le chercheur SUNCAT Frank Abild-Pedersen, l'équipe a ensuite déterminé l'impact de l'hydrogène sur la structure en couches.
Ils ont découvert que la liaison à l'hydrogène initiait un effet domino, avec des changements structurels se propageant de la surface de l'échantillon à travers toutes les couches de carbone en dessous, transformer la structure initiale de type graphite des feuilles de carbone planes en un arrangement d'atomes de carbone qui ressemble au diamant.
La découverte était inattendue. L'objectif initial de l'expérience était de voir si l'ajout d'hydrogène pouvait modifier les propriétés du graphène d'une manière qui le rendrait utilisable dans les transistors, le bloc de construction fondamental des appareils électroniques. Au lieu, les scientifiques ont découvert que la liaison de l'hydrogène entraînait la formation de liaisons chimiques entre le graphène et le substrat de platine.
Il s'avère que ces liaisons sont cruciales pour l'effet domino. "Pour que ce processus soit stable, le substrat de platine doit se lier à la couche de carbone la plus proche, " explique Kaya. " La capacité du platine à former ces liaisons détermine la stabilité globale du film de type diamant. "
Les recherches futures exploreront tout le potentiel du graphène hydrogéné à quelques couches pour des applications dans les sciences des matériaux. Il sera particulièrement intéressant de déterminer si des films de type diamant peuvent être cultivés sur d'autres substrats métalliques, utilisant du graphène de différentes épaisseurs.
