Le substrat de cuivre est montré en train d'être recouvert de graphène. A gauche, le processus commence par traiter la surface du cuivre, et, à droite, la couche de graphène commence à se former. Les images supérieures sont prises en microscopie à lumière visible, et des images inférieures à l'aide d'un microscope électronique à balayage.
Le graphène est un matériau aux multiples applications potentielles, y compris dans les sources lumineuses flexibles, panneaux solaires pouvant être intégrés aux fenêtres, et des membranes pour dessaler et purifier l'eau. Mais toutes ces utilisations possibles sont confrontées au même grand obstacle :le besoin d'une méthode évolutive et rentable pour la fabrication en continu de films de graphène.
Cela pourrait enfin changer avec un nouveau processus décrit cette semaine dans le journal Rapports scientifiques par des chercheurs du MIT et de l'Université du Michigan. Professeur agrégé de génie mécanique du MIT A. John Hart, l'auteur principal de l'article, affirme que le nouveau processus de fabrication rouleau à rouleau décrit par son équipe tient compte du fait que pour de nombreuses applications proposées du graphène et d'autres matériaux 2D, "il va falloir en faire des hectares, à plusieurs reprises et de manière rentable."
Faire de telles quantités de graphène représenterait un grand saut par rapport aux approches actuelles, où les chercheurs ont du mal à produire de petites quantités de graphène - en tirant souvent ces feuilles d'un morceau de graphite à l'aide de ruban adhésif, ou produire un film de la taille d'un timbre-poste à l'aide d'un four de laboratoire. Mais la nouvelle méthode promet de permettre une production continue, en utilisant une mince feuille métallique comme substrat, dans un processus industriel où le matériau serait déposé sur la feuille alors qu'il se déplace en douceur d'une bobine à l'autre. Les feuilles résultantes ne seraient limitées en taille que par la largeur des rouleaux de feuille et la taille de la chambre où le dépôt aurait lieu.
Parce qu'un processus continu élimine le besoin d'arrêter et de démarrer pour charger et décharger des matériaux d'une chambre à vide fixe, comme dans les méthodes de traitement d'aujourd'hui, cela pourrait conduire à une augmentation significative de la production. Cela pourrait enfin déclencher des applications pour le graphène, qui possède des propriétés électroniques et optiques uniques et est l'un des matériaux les plus résistants connus.
Le schéma du procédé roll-to-roll (a) montre la disposition des bobines de cuivre à chaque extrémité du tube de traitement, et comment un ruban de substrat de cuivre mince est enroulé autour du tube central. La vue en coupe du même montage (b) montre l'écart entre deux tubes, où se produit le processus de dépôt chimique en phase vapeur. Les photos du système testé montrent (c) le système global, avec une flèche indiquant la direction dans laquelle le ruban se déplace ; (d) un gros plan du ruban de cuivre à l'intérieur de l'appareil, montrant les trous où la vapeur chimique est injectée; et (e) une vue aérienne de la feuille de cuivre traversant le système.
Le nouveau procédé est une adaptation d'une méthode de dépôt chimique en phase vapeur déjà utilisée au MIT et ailleurs pour fabriquer du graphène, en utilisant une petite chambre à vide dans laquelle une vapeur contenant du carbone réagit sur un substrat horizontal, comme une feuille de cuivre. Le nouveau système utilise une chimie de vapeur similaire, mais la chambre est sous la forme de deux tubes concentriques, l'un dans l'autre, et le substrat est un mince ruban de cuivre qui glisse doucement sur le tube intérieur.
Les gaz s'écoulent dans les tubes et sont libérés par des trous placés avec précision, permettant au substrat d'être exposé successivement à deux mélanges de gaz. La première région est appelée région de recuit, utilisé pour préparer la surface du substrat; la deuxième région est la zone de croissance, où le graphène est formé sur le ruban. La chambre est chauffée à environ 1, 000 degrés Celsius pour effectuer la réaction.
Les chercheurs ont conçu et construit une version à l'échelle du laboratoire du système, et trouvé que lorsque le ruban est déplacé à une vitesse de 25 millimètres (1 pouce) par minute, un très uniforme, Une seule couche de graphène de haute qualité est créée. Lorsqu'il est roulé 20 fois plus vite, il produit toujours un revêtement, mais le graphène est de moindre qualité, avec plus de défauts.
Quelques applications potentielles, telles que les membranes de filtration, peut nécessiter du graphène de très haute qualité, mais d'autres applications, tels que les éléments chauffants à couche mince peuvent fonctionner assez bien avec des feuilles de qualité inférieure, dit Hart, qui est professeur agrégé de développement de carrière Mitsui en technologie contemporaine au MIT.
Jusque là, le nouveau système produit du graphène qui n'est "pas tout à fait [égal à] le meilleur qui puisse être fait par traitement par lots, " Hart dit - mais " à notre connaissance, c'est toujours au moins aussi bon" que ce qui a été produit par d'autres processus continus. Des travaux supplémentaires sur des détails tels que le prétraitement du substrat pour éliminer les défauts de surface indésirables pourraient conduire à des améliorations de la qualité des feuilles de graphène résultantes, il dit.
L'équipe étudie ces détails, Hart ajoute, et l'apprentissage des compromis qui peuvent éclairer la sélection des conditions de processus pour des applications spécifiques, comme entre un taux de production plus élevé et la qualité du graphène. Puis, il dit, "La prochaine étape est de comprendre comment repousser les limites, pour l'obtenir 10 fois plus vite ou plus."
Hart dit que bien que cette étude se concentre sur le graphène, la machine pourrait être adaptée pour fabriquer en continu d'autres matériaux bidimensionnels, ou encore à des réseaux croissants de nanotubes de carbone, que son groupe étudie également.
"Il s'agit d'une recherche de haute qualité qui représente un progrès significatif sur la voie de méthodes de production évolutives pour le graphène à grande surface, " dit Charlie Johnson, un professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Pennsylvanie qui n'était pas impliqué dans ce travail. "Je pense que l'approche des tubes concentriques est très créative. Elle a le potentiel de réduire considérablement les coûts de production du graphène, s'il peut être mis à l'échelle pour de plus grandes largeurs de feuille de cuivre."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
