Cette semaine, un groupe international de scientifiques fait état d'une percée dans les efforts visant à caractériser les propriétés du graphène de manière non invasive tout en acquérant des informations sur sa réponse à la contrainte structurelle.

En utilisant la spectroscopie Raman et l'analyse statistique, le groupe a réussi à prendre des mesures à l'échelle nanométrique de la contrainte présente à chaque pixel à la surface du matériau. Les chercheurs ont également obtenu une vue haute résolution des propriétés chimiques de la surface du graphène.

Les résultats, dit Slava V. Rotkin, professeur de physique et également de science et ingénierie des matériaux à l'Université Lehigh, pourrait potentiellement permettre aux scientifiques de surveiller les niveaux de contrainte rapidement et avec précision pendant la fabrication du graphène. Cela pourrait à son tour aider à prévenir la formation de défauts causés par la contrainte.

"Les scientifiques savaient déjà que la spectroscopie Raman pouvait obtenir des informations implicitement utiles sur la contrainte dans le graphène, " dit Rotkin. " Nous avons montré explicitement que vous pouvez cartographier la souche et recueillir des informations sur ses effets.

"De plus, à l'aide d'analyses statistiques, nous avons montré qu'il est possible d'en savoir plus sur la distribution de la déformation à l'intérieur de chaque pixel, à quelle vitesse les niveaux de contrainte changent et l'effet de ce changement sur les propriétés électroniques et élastiques du graphène."

Le groupe a communiqué ses résultats en Communication Nature dans un article intitulé "La spectroscopie Raman en tant que sonde des variations de contrainte à l'échelle nanométrique dans le graphène".

En plus de Rotkin, l'article a été rédigé par des chercheurs de l'Université RWTH/Aix-la-Chapelle et du Centre de recherche de Jülich en Allemagne; l'Université Paris en France; Universidade Federal Fluminense au Brésil; et l'Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Le graphène est le matériau le plus fin connu de la science, et l'un des plus forts aussi. Une feuille de carbone de 1 atome d'épaisseur, Le graphène a été le premier matériau bidimensionnel jamais découvert. Par poids, il est 150 à 200 fois plus résistant que l'acier. Il est également flexible, dense, pratiquement transparent et un excellent conducteur de chaleur et d'électricité.

En 2010, Andre Geim et Konstantin Novoselov ont remporté le prix Nobel de physique pour leurs expériences innovantes avec le graphène. En utilisant du ruban adhésif ordinaire, les deux physiciens britanniques ont réussi à décoller des couches de graphène du graphite, ce qui n'est pas une tâche facile étant donné qu'un millimètre de graphite est constitué de 3 millions de couches de graphène.

Au cours de la décennie environ depuis que Geim et Novoselov ont commencé à publier les résultats de leurs recherches sur le graphène, le matériau a trouvé sa place dans plusieurs applications, allant des raquettes de tennis aux écrans tactiles des smartphones. Le marché 2013 du graphène aux États-Unis, selon un article de 2014 dans Nature, a été estimé à 12 millions de dollars.

Plusieurs obstacles freinent la poursuite de la commercialisation du graphène. L'un d'eux est la présence de défauts qui imposent une contrainte sur la structure du réseau du graphène et affectent négativement ses propriétés électroniques et optiques. À cela s'ajoute la difficulté de produire du graphène de haute qualité à faible coût et en grande quantité.

"Le graphène est stable et flexible et peut se dilater sans se casser, " dit Rotkin, qui a passé l'automne 2013 à travailler à la RWTH/Université d'Aix-la-Chapelle. "Mais il a des rides, ou des bulles, à sa surface, qui donnent à la surface une sensation vallonnée et interfèrent avec les applications potentielles."

Une couche de graphène est généralement réalisée sur un substrat de dioxyde de silicium par un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur. Le matériau peut être tendu par la contamination qui se produit pendant le processus ou parce que le graphène et le substrat ont des coefficients de dilatation thermique différents et donc se refroidissent et se rétractent à des vitesses différentes.

Pour déterminer les propriétés du graphène, le groupe a utilisé la spectroscopie Raman, une technique puissante qui recueille la lumière diffusée sur la surface d'un matériau. Le groupe a également appliqué un champ magnétique pour obtenir des informations supplémentaires sur le graphène. Le champ magnétique contrôle le comportement des électrons dans le graphène, permettant de voir plus clairement les effets de la spectroscopie Raman, dit Rotkin.

"Le signal Raman représente "l'empreinte digitale" des propriétés du graphène, " a déclaré Rotkin. "Nous essayons de comprendre l'influence du champ magnétique sur le signal Raman. Nous avons fait varier le champ magnétique et remarqué que chaque raie Raman du graphène changeait en réponse à ces variations."

La résolution spatiale typique de la "carte Raman" du graphène est d'environ 500 nanomètres (nm), ou la largeur du spot laser, le groupe a signalé dans Communication Nature . Cette résolution permet de mesurer les variations de déformation à l'échelle micrométrique et de déterminer la quantité moyenne de déformation imposée au graphène.

En effectuant une analyse statistique du signal Raman, cependant, le groupe a indiqué qu'il était capable de mesurer la déformation à chaque pixel et de cartographier la déformation, et les variations de tension, un pixel à la fois.

Ainsi, le groupe a signalé, il était capable de "distinguer les variations de déformation à l'échelle micrométrique, qui peuvent être extraits de cartes Raman résolues spatialement, et des variations de contraintes à l'échelle nanométrique, qui sont sur des échelles de longueur inférieures à la taille du spot et ne peuvent pas être directement observés par imagerie Raman, mais sont considérés comme des sources importantes de diffusion pour le transport électronique.

Le groupe a produit ses échantillons de graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) au RWTH/Université d'Aix-la-Chapelle.