Figure 1. Graphène nanoporeux sur Ni nanoporeux (à gauche) et graphène nanoporeux après dissolution du substrat Ni nanoporeux.
Le graphène nanoporeux tridimensionnel (3D) avec des caractères électroniques Dirac 2D préservés a été synthétisé avec succès par le Dr Yoshikazu Ito et le Prof. Mingwei CHEN de l'Institut avancé de recherche sur les matériaux (AIMR), Université du Tohoku. Le graphène nanoporeux est construit par une feuille de graphène monocouche qui est continuellement interconnectée pour former une structure de réseau 3D complexe. Ce graphène nanoporeux autoportant avec une excellente cristallinité possède une grande mobilité, très prometteur pour les applications dans les appareils électroniques.
Le graphène nanoporeux a été cultivé par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à base de métal nanoporeux, comme le montre la figure 1 (a). La morphologie globale du graphène nanoporeux de la figure 1 (b) montre une feuille de vrac autonome d'environ 20 µm d'épaisseur. Bien que le graphène nanoporeux 3D ait une structure complexe, il est démontré qu'il est de 500 cm2/Vs en mobilité électronique et un système de cône de Dirac sans masse. Comme le transistor classique nécessite une mobilité électronique de 200 cm2/Vs, il est fortement attendu que ce graphène nanoporeux apportera un nouveau dispositif qui pourra être remplacé par des dispositifs Si.
Ce travail est en collaboration avec les équipes de recherche du Pr Katsumi Tanigaki et du Pr Takashi Takahashi à l'AIMR, Université du Tohoku. Les résultats de cette recherche seront publiés dans le numéro 19 de ' Angewandte Chemie Édition Internationale ' comme Hot Paper le 2 mai.
Le graphène est un matériau carboné monocouche à faible coût, haute stabilité chimique/thermique, et ultra haute résistance et devrait remplacer le silicium et les métaux nobles pour les dispositifs électroniques, matériaux de batterie, photo-/détecteurs d'ions et catalyseurs. Bien que certains produits à base de graphène tels que l'affichage et les électrodes soient disponibles dans le commerce, les applications sont limitées en raison de la structure de la feuille 2D. En d'autres termes, les performances par gramme sont excellentes mais les performances par volume ne peuvent pas être atteintes facilement. Par conséquent, de nombreux efforts ont été faits pour construire le matériau 2D en tant que structure 3D avec des propriétés physiques/chimiques conservées et des performances volumétriques élevées. Cependant, les matériaux de carbone nanoporeux 3D rapportés souffrent d'une faible mobilité en raison de la cristallinité inférieure, qui ne peut pas être utilisé pour les dispositifs électroniques. Pour obtenir des matériaux en carbone 3D de qualité semi-conductrice, la feuille de graphène monocouche avec une structure cristalline élevée est requise dans une structure 3D. Ainsi, nous avons développé un graphène nanoporeux 3D avec une mobilité élevée préservée et des propriétés électroniques 2D uniques du graphène.
Figure 2. Morphologie du graphène nanoporeux 3D. (a) structures ligamentaires 3D, (b) partie plate et (c) partie courbée sur la feuille de graphène avec des modèles atomiques, respectivement.
Le graphène nanoporeux de la figure 1 a été synthétisé par la méthode CVD à base de métal nanoporeux. Le graphène nanoporeux hérite entièrement de la structure géométrique du substrat de nickel nanoporeux après dissolution du nickel. La structure atomique du graphène nanoporeux a été observée par MET comme le montre la figure 2. Le ligament de la figure 2 (a) a été construit par des parties de surface plane (figure 2 (b)) et des parties de courbure (figure 2 (c)) de la feuille de graphène. Il est évident que les anneaux à six chaînons ont été observés dans la partie plate tandis que les anneaux à cinq et sept chaînons ont été observés dans les parties courbes en raison de l'exigence géométrique pour créer les structures de courbure.
Les propriétés physiques du graphène nanoporeux ont été étudiées. Comme le graphène 2D est un système de cône de Dirac (Figure 3 (a)) et montre une densité d'état électronique à dispersion linéaire (Figure 3 (b)). Le graphène nanoporeux 3D de la figure 2 démontre également une relation linéaire proche du niveau de Fermi, ce qui est similaire avec le graphène 2D. La mobilité électronique du graphène nanoporeux avec différentes tailles de pores a été mesurée. Au fur et à mesure que la température augmente, la mobilité des électrons diminue légèrement jusqu'à 200-400 cm2/Vs. Par rapport au graphène CVD 2D, la mobilité des électrons est encore suffisamment élevée pour les applications de dispositifs.
En conclusion, le graphène nanoporeux préserve l'avenir du graphène 2D. Ces résultats sont d'abord rapportés pour révéler les propriétés physiques du graphène nanoporeux 3D.
Figure 3. (a) Dispersion du cône de Dirac du graphène 2D. (b) Densité d'état électronique typique du graphène 2D. (c) Densité d'état électronique du graphène nanoporeux 3D (expérience) (d) Dépendance de la température et de la taille poreuse de la mobilité électronique. La zone orange montre la plage de mobilité électronique du graphène CVD. La mobilité électronique du silicium est de 1500 cm2/Vs.
Le graphène nanoporeux 3D devrait apporter une percée dans la résolution d'un problème de performance volumétrique du graphène 2D en fournissant des structures poreuses abondantes pour un transport de masse facile et une grande surface efficace. De plus, le graphène nanoporeux préserve les caractères électroniques du graphène 2D et devrait être utilisé pour des applications dans des dispositifs électroniques tels que des transistors et des condensateurs.
