Schéma du processus de croissance Caltech pour le graphène. Crédit :D. Boyd et N. Yeh labs/Caltech
Une nouvelle technique inventée à Caltech pour produire du graphène - un matériau constitué d'une couche de carbone de l'épaisseur d'un atome - à température ambiante pourrait aider à ouvrir la voie à des cellules solaires et des diodes électroluminescentes à base de graphène commercialement réalisables, écrans grand format, et électronique flexible.
"Avec cette nouvelle technique, nous pouvons faire pousser de grandes feuilles de graphène de qualité électronique en beaucoup moins de temps et à des températures beaucoup plus basses, " déclare David Boyd, scientifique de Caltech, qui a développé la méthode.
Boyd est le premier auteur d'une nouvelle étude, publié dans le numéro du 18 mars de la revue Communication Nature , détaillant le nouveau processus de fabrication et les nouvelles propriétés du graphène qu'il produit.
Le graphène pourrait révolutionner une variété de domaines techniques et scientifiques en raison de ses propriétés uniques, qui comprennent une résistance à la traction 200 fois supérieure à celle de l'acier et une mobilité électrique supérieure de deux à trois ordres de grandeur à celle du silicium. La mobilité électrique d'un matériau est une mesure de la facilité avec laquelle les électrons peuvent se déplacer sur sa surface.
Cependant, l'obtention de ces propriétés à une échelle industriellement pertinente s'est avérée compliquée. Les techniques existantes nécessitent des températures beaucoup trop chaudes-1, 800 degrés Fahrenheit, ou 1, 000 degrés Celsius—pour incorporer la fabrication de graphène à la fabrication électronique actuelle. En outre, la croissance à haute température du graphène a tendance à induire de grandes, déformation - déformation - répartie de manière incontrôlable dans le matériau, ce qui compromet gravement ses propriétés intrinsèques.
"Précédemment, les gens ne pouvaient faire pousser que quelques millimètres carrés de graphène à haute mobilité à la fois, et il fallait des températures très élevées, de longues périodes, et de nombreuses étapes, " dit le professeur de physique de Caltech Nai-Chang Yeh, le codirecteur de la Fondation Fletcher Jones du Kavli Nanoscience Institute et l'auteur correspondant de la nouvelle étude. "Notre nouvelle méthode peut produire de manière constante du graphène à haute mobilité et presque sans contrainte en une seule étape en quelques minutes seulement sans température élevée. Nous avons créé des échantillons de quelques centimètres carrés, et puisque nous pensons que notre méthode est évolutive, nous croyons que nous pouvons faire pousser des feuilles jusqu'à plusieurs pouces carrés ou plus, ouvrant la voie à des applications réalistes à grande échelle."
Le nouveau processus de fabrication n'aurait peut-être pas été découvert du tout sans une heureuse tournure des événements. En 2012, Boyd, puis travaillant dans le laboratoire de feu David Goodwin, à l'époque professeur Caltech de génie mécanique et de physique appliquée, essayait de reproduire un processus de fabrication de graphène qu'il avait lu dans une revue scientifique. Dans ce processus, le cuivre chauffé est utilisé pour catalyser la croissance du graphène. "Je jouais avec ça à l'heure du déjeuner, " dit Boyd, qui travaille maintenant avec le groupe de recherche de Yeh. "Mais la recette ne fonctionnait pas. Cela semblait être un processus très simple. J'avais même un meilleur équipement que celui utilisé dans l'expérience originale, donc ça aurait dû être plus facile pour moi."
Croissance précoce du graphène sur cuivre. Les lignes d'hexagones sont des noyaux de graphène, avec un grossissement croissant de gauche à droite, où les barres d'échelle de gauche à droite correspondent à 10 m, 1 µm, et 200 nm, respectivement. Les hexagones se développent ensemble dans une feuille de graphène sans soudure. Crédit :D. Boyd et N. Yeh labs/Caltech
Au cours d'une de ses tentatives pour reproduire l'expérience, le téléphone a sonné. Pendant que Boyd a pris l'appel, il a involontairement laissé chauffer une feuille de cuivre plus longtemps que d'habitude avant de l'exposer à la vapeur de méthane, qui fournit les atomes de carbone nécessaires à la croissance du graphène.
Quand plus tard Boyd a examiné la plaque de cuivre en utilisant la spectroscopie Raman, une technique utilisée pour détecter et identifier le graphène, il a vu des preuves qu'une couche de graphène s'était effectivement formée. "C'était un 'A-ha!' moment, " dit Boyd. " Je me suis alors rendu compte que le truc pour grandir est d'avoir une surface très propre, un sans l'oxyde de cuivre."
Comme le rappelle Boyd, il se souvint alors que Robert Millikan, un physicien lauréat du prix Nobel et à la tête du Caltech de 1921 à 1945, a également dû faire face à l'élimination de l'oxyde de cuivre lorsqu'il a effectué sa célèbre expérience de 1916 pour mesurer la constante de Planck, ce qui est important pour calculer la quantité d'énergie d'une seule particule de lumière, ou photon, Boyd s'est demandé s'il, comme Millikan, pourrait concevoir une méthode pour nettoyer son cuivre alors qu'il était sous vide.
La solution que Boyd a trouvée était d'utiliser un système développé pour la première fois dans les années 1960 pour générer un plasma d'hydrogène, c'est-à-dire de l'hydrogène gazeux qui a été électrifié pour séparer les électrons des protons, pour éliminer l'oxyde de cuivre à des températures beaucoup plus basses. Ses premières expériences ont révélé non seulement que la technique fonctionnait pour éliminer l'oxyde de cuivre, mais qu'il produisait simultanément du graphène.
En premier, Boyd ne pouvait pas comprendre pourquoi la technique était si efficace. Il a découvert plus tard que deux valves qui fuyaient laissaient entrer des traces de méthane dans la chambre d'expérimentation. "Les vannes laissaient entrer juste la bonne quantité de méthane pour que le graphène se développe, " il dit.
La capacité de produire du graphène sans avoir besoin de chauffage actif réduit non seulement les coûts de fabrication, mais permet également d'obtenir un meilleur produit car moins de défauts - introduits en raison des processus de dilatation et de contraction thermiques - sont générés. Cela élimine à son tour le besoin de plusieurs étapes de post-production. "Typiquement, il faut environ dix heures et neuf à dix étapes différentes pour fabriquer un lot de graphène à haute mobilité en utilisant des méthodes de croissance à haute température, " Yeh dit. "Notre processus implique une étape, et cela prend cinq minutes."
Images microscopiques à effet tunnel à résolution atomique de graphène cultivé sur un monocristal de cuivre (111), avec un grossissement croissant de gauche à droite. Crédit :D. Boyd et N. Yeh labs/Caltech
Les travaux du groupe de Yeh et de ses collaborateurs internationaux ont révélé plus tard que le graphène fabriqué à l'aide de la nouvelle technique est de meilleure qualité que le graphène fabriqué à l'aide de méthodes conventionnelles :il est plus résistant car il contient moins de défauts qui pourraient affaiblir sa résistance mécanique, et il a la mobilité électrique la plus élevée jamais mesurée pour le graphène synthétique.
L'équipe pense que l'une des raisons pour lesquelles leur technique est si efficace est qu'une réaction chimique entre le plasma d'hydrogène et les molécules d'air dans l'atmosphère de la chambre génère des radicaux cyano, des molécules de carbone-azote qui ont été dépouillées de leurs électrons. Comme de minuscules superscrubbers, ces molécules chargées nettoient efficacement le cuivre des imperfections de surface, fournissant une surface immaculée sur laquelle faire pousser du graphène.
Les scientifiques ont également découvert que leur graphène se développe d'une manière particulière. Le graphène produit à l'aide de procédés thermiques conventionnels se développe à partir d'un patchwork aléatoire de dépôts. But graphene growth with the plasma technique is more orderly. The graphene deposits form lines that then grow into a seamless sheet, which contributes to its mechanical and electrical integrity.
A scaled-up version of their plasma technique could open the door for new kinds of electronics manufacturing, Yeh says. Par exemple, graphene sheets with low concentrations of defects could be used to protect materials against degradation from exposure to the environment. Another possibility would be to grow large sheets of graphene that can be used as a transparent conducting electrode for solar cells and display panels. "À l'avenir, you could have graphene-based cell-phone displays that generate their own power, " Yeh says.
Another possibility, elle dit, is to introduce intentionally imperfections into graphene's lattice structure to create specific mechanical and electronic attributes. "If you can strain graphene by design at the nanoscale, you can artificially engineer its properties. But for this to work, you need to start with a perfectly smooth, strain-free sheet of graphene, " Yeh says. "You can't do this if you have a sheet of graphene that has uncontrollable defects in different places."
