(Phys.org)—Graphène, une forme bidimensionnelle de carbone, possède de nombreuses propriétés, ce qui le rend particulièrement adapté aux nanodispositifs. Pour un, même s'il est constitué d'un réseau d'atomes de carbone, il affiche une conductivité extraordinaire grâce à son réseau d'électrons . En outre, le graphène est un produit peu coûteux, substrat souple, ce qui en fait une option pratique pour la construction d'appareils. De nombreux groupes s'intéressent aux moyens d'aligner des nanomatériaux sur des surfaces de graphène plutôt que de fonctionnaliser le graphène, ce qui modifie certaines des propriétés souhaitables du graphène.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Tokyo, l'Agence japonaise pour la science et la technologie, l'Université de Californie à Berkeley, l'Institut national des sciences et de la technologie d'Ulsan, Université de Harvard, Université de Konkuk, et le Lawrence Berkeley National Laboratory ont découvert que les nanofils de cyanure d'or (I) (AuCN) s'assemblent sur du graphène vierge dans des conditions douces. Ils ont déterminé que ces nanofils s'alignent spontanément avec le réseau en zigzag du graphène, permettant des études sur la nature structurale du graphène ainsi que pour la conception contrôlée de nanostructures inorganiques. Leur travail apparaît dans Nature Nanotechnologie .

L'une des difficultés liées à l'incorporation de molécules inorganiques au graphène est que le graphène est chimiquement inerte. La plupart des efforts pour produire une couche inorganique sur un substrat de graphène impliquent soit d'utiliser du graphène présentant des défauts, soit de réagir avec les bords d'un ruban de graphène. Cette étude est unique en ce que des nanofils se sont formés sur du graphène vierge. Surtout, des études ont confirmé que le graphène restait intact même après la formation des nanofils. Les nanofils ont été retirés à l'aide d'une solution basique, produisant du graphène vierge. Par ailleurs, des études supplémentaires avec divers types de surfaces de carbone ont montré que les nanofils AuCN se développent préférentiellement sur des surfaces de graphène vierges.

La synthèse des nanofils AuCN a été réalisée dans des conditions relativement douces. Typiquement, ce type de réaction inorganique dans laquelle un composé réagit sur un substrat comme le graphène, se fait par dépôt chimique en phase vapeur. Le dépôt chimique en phase vapeur est effectué dans des conditions de température et de pression difficiles. Lee et al. rapportent une synthèse dans laquelle du graphène monocouche et de l'or solide sont placés dans une solution aqueuse de 250 mM de persulfate d'ammonium à température ambiante pendant 17 heures. L'or peut être soit des nanoparticules d'or, soit une microstructure d'or, en fonction des objectifs de la réaction. L'acide oxyde l'or pour former des nanofils. Le graphène sert de substrat pour la nucléation et la croissance des nanofils.

Des études de caractérisation ont prouvé que les nanofils étaient composés exclusivement d'AuCN. Par ailleurs, les nanofils AuCN forment une structure de nanoruban sur la surface du graphène de telle manière qu'ils sont analogues à la structure en treillis en zigzag du graphène. Il s'agit d'une découverte clé car les caractéristiques du réseau de graphène peuvent être étudiées en examinant l'orientation des nanorubans AuCN. Habituellement, l'étude de la structure du réseau du graphène nécessite une préparation d'échantillon spéciale et des exigences de substrat qui peuvent prendre du temps. Cependant, en examinant les propriétés du nanoruban AuCN à l'aide d'une technique telle que la microscopie électronique à balayage, qui nécessite une préparation minimale de l'échantillon, on peut discerner plus facilement les joints de grains du graphène et d'autres caractéristiques.

Parce que les nanofils suivront la structure du réseau de graphène, Lee et al. ont démontré que l'on pouvait contrôler l'orientation des nanostructures. Ils ont pu fabriquer des nanorubans de graphène de haute qualité qui suivent une orientation de réseau particulière. Ils ont également pu fabriquer des chaînes de nanoparticules d'or alignées avec la direction du réseau en zigzag du graphène.

En raison des conditions particulièrement inertes de cette réaction, Lee et al. effectué des calculs de premier principe pour comprendre ce qui a favorisé cette formation de nanofils induite par le substrat, ce qui peut fournir des indices pour développer un mécanisme général de fabrication de nanomatériaux dans des conditions inertes.

Ils ont constaté qu'AuCN maintenait sa structure cristalline hexagonale et que le graphène maintenait sa sp ² structure carbonée. La différence intercouche entre les cristaux AuCN et la feuille de graphène est presque la même que la différence intercouche entre Au(1 1 1) et le graphène. Cela suggère que l'interaction principale se situe entre le graphène et l'atome d'or dans AuCN. Cependant, l'énergie de liaison pour AuCN sur le graphène est beaucoup plus élevée que pour Au(1 1 1), suggérant que les électrons π du graphène interagissent avec l'or pauvre en électrons dans AuCN. Cette interaction π unique pourrait être à l'origine de la liaison spontanée entre les nanofils et le graphène, et peut être une propriété qui peut être utilisée pour construire d'autres nanomatériaux.

Globalement, Lee et al. a démontré une synthèse facile de nanofils AuCN de modèle de graphène qui s'alignent spontanément avec le réseau en zigzag du graphène vierge. Cela permet une meilleure caractérisation des propriétés cristallines du graphène ainsi que le contrôle de l'orientation des nanomatériaux fabriqués. L'interaction entre les électrons et l'atome d'or dans AuCN sans perturber le réseau de carbone du graphène est une interaction unique qui peut être exploitée pour des études ultérieures dans la construction de nanodispositifs.

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