Ce qui se trouve sous les îlots croissants de graphène est important pour ses propriétés, selon une nouvelle étude menée par l'Université Rice.

Les scientifiques de Rice ont analysé les motifs du graphène – une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur – cultivé dans un four par dépôt chimique en phase vapeur. Ils ont découvert que la relation géométrique entre le graphène et le substrat, le matériau sous-jacent sur lequel le carbone s'assemble atome par atome, détermine comment les formes de l'île émergent.

L'étude menée par le physicien théoricien Rice Boris Yakobson et le chercheur postdoctoral Vasilii Artyukhov montre comment l'arrangement cristallin des atomes dans les substrats couramment utilisés dans la croissance du graphène, comme le nickel ou le cuivre, contrôle la formation des îles. Les résultats sont parus aujourd'hui dans Lettres d'examen physique .

"Les expériences qui montrent les propriétés électroniques étonnantes du graphène sont généralement réalisées sur du graphène exfolié mécaniquement, " Artyukhov a dit. " Cela vous limite en termes de taille de flocon, et c'est cher si vous avez besoin de beaucoup de matériel. Donc, tout le monde essaie de trouver un meilleur moyen de le faire pousser à partir de gaz comme le méthane (la source d'atomes de carbone) en utilisant différents substrats métalliques. Le problème est, les cristaux résultants semblent différents d'un substrat à l'autre, même si tout n'est que du graphène."

Yakobson a déclaré que les chercheurs voient souvent des îles de graphène de forme irrégulière développées par dépôt chimique en phase vapeur, "et nous nous sommes tous demandé pourquoi. En général, c'est très surprenant, car dans le graphène, les six côtés doivent être identiques." Triangles et autres formes, il a dit, sont des exemples de brisure de symétrie ; les systèmes qui produiraient autrement des formes régulières « se cassent » et produisent des formes moins régulières.

Le graphène se forme dans un four de dépôt chimique en phase vapeur lorsque des atomes de carbone flottant dans le brouillard chaud se déposent sur le substrat métallique. Les atomes se lient en anneaux caractéristiques à six côtés, mais comme une île grandit, sa forme générale peut prendre diverses formes, des hexagones aux hexagones allongés aux structures plus aléatoires, même des triangles. Les chercheurs ont trouvé une forte corrélation entre la forme ultime de l'île et la disposition des atomes dans la surface exposée du substrat, qui peut être triangulaire, carré, rectangulaire ou autre.

Les chercheurs ont découvert que les atomes individuels suivent la feuille de route définie par le substrat, comme illustré par une image au microscope de deux grains de substrat de cuivre qui hébergent deux formes distinctes de graphène, même si les conditions de croissance sont identiques. Sur un grain, les îles de graphène sont toutes des hexagones presque parfaits; de l'autre, les îlots hexagonaux sont allongés et alignés.

"L'image montre que les mécanismes de croissance de base sont les mêmes, mais la différence dans les îles est due aux différences subtiles entre les surfaces cristallographiques du graphène et du cuivre, " a déclaré Yakobson.

Parce que les bords du graphène sont si importants pour ses propriétés électroniques, toute étape vers la compréhension de sa croissance est importante, il a dit. Qu'un bord de graphène se termine par un zigzag, un fauteuil ou quelque chose entre les deux dépend de la façon dont les atomes individuels s'équilibrent lorsqu'ils équilibrent les énergies entre leurs atomes de carbone voisins et ceux du substrat.

Les atomes dans les métaux forment un arrangement spécifique, un réseau cristallin, comme un réseau de cuivre pur appelé « cubique à faces centrées ». Mais les grains individuels peuvent avoir des surfaces différentes dans un matériau polycristallin comme les feuilles de cuivre fréquemment utilisées comme substrats de croissance de graphène.

"Selon la façon dont vous coupez un cube en deux, vous pouvez vous retrouver avec un carré, faces rectangulaires voire triangulaires, " Artyukhov a déclaré. "La surface de la feuille de cuivre peut avoir différentes textures à différents endroits. La microscopie électronique a montré que tous les îlots de graphène poussant sur le même grain de cuivre ont tendance à avoir une forme similaire, par exemple, tous des hexagones parfaits, ou tout allongé."

Il a dit que les îles héritent de la symétrie des surfaces des grains et croissent plus vite dans certaines directions, ce qui explique la distribution particulière des formes.

Lorsque le processus de croissance est suffisamment long, les îles se fondent dans des films de graphène plus grands. Là où les réseaux de carbone ne s'alignent pas les uns avec les autres, les atomes recherchent l'équilibre et forment des joints de grains qui contrôlent les propriétés électroniques de la plus grande feuille. Les chercheurs - et les industries - recherchent des moyens de contrôler les propriétés semi-conductrices du graphène en contrôlant les limites.

"Une bonne compréhension de ce processus donne des indications sur la façon d'organiser l'orientation mutuelle des îles, " Yakobson a dit. " Alors quand ils fusionnent, vous pouvez, intentionnellement, créer des joints de grains particuliers aux propriétés particulièrement intéressantes. Alors cette recherche, plus que satisfaire notre curiosité, est très utile."

Il a suggéré que les mêmes calculs pourraient s'appliquer à la croissance d'autres matériaux bidimensionnels comme le nitrure de bore hexagonal ou le bisulfure de molybdène et ses apparentés, également largement étudiées pour leur potentiel pour l'électronique.

Les co-auteurs de l'article sont Yufeng Hao, chercheur à l'Université de Columbia, et Rodney Ruoff, directeur du Center for Multidimensional Carbon Materials de l'Ulsan National Institute of Science and Technology, Ulsan, Corée du Sud.