Une collaboration internationale de chercheurs a utilisé des simulations informatiques pour trouver la minceur minimale d'une plaque de sel afin qu'elle se brise en couches de type graphène. Sur la base de la simulation informatique, ils ont dérivé l'équation du nombre de couches dans un cristal qui produira des films ultraminces avec des applications en nanoélectronique. Leurs conclusions étaient en Le Journal des lettres de chimie physique .

De la 3D à la 2D

L'épaisseur monoatomique unique du graphène en fait un matériau attrayant et utile. Son réseau cristallin ressemble à un nid d'abeilles, car les liaisons entre les atomes constitutifs forment des hexagones réguliers. Le graphène est une couche unique d'un cristal de graphite tridimensionnel et ses propriétés (ainsi que les propriétés de tout cristal 2D) sont radicalement différentes de son homologue 3-D. Depuis la découverte du graphène, de nombreuses recherches ont été consacrées à de nouveaux matériaux bidimensionnels aux propriétés intrigantes. Les films ultrafins ont des propriétés inhabituelles qui pourraient être utiles pour des applications telles que la nano- et la microélectronique.

Des études théoriques antérieures ont suggéré que les films avec une structure cubique et une liaison ionique pourraient se convertir spontanément en une structure graphitique hexagonale en couches dans ce que l'on appelle la graphitisation. Pour certaines substances, cette conversion a été observée expérimentalement. Il a été prédit que le sel gemme NaCl pourrait être un composé ayant des tendances à la graphitisation. La graphitisation de composés cubiques pourrait produire des structures nouvelles et prometteuses pour des applications en nanoélectronique. Cependant, aucune théorie n'a expliqué ce processus avec un composé cubique arbitraire ou fait des prédictions sur sa conversion en couches de sel de type graphène.

Pour que la graphitisation se produise, les couches cristallines doivent être réduites le long de la diagonale principale de la structure cubique. Il en résulterait qu'une surface cristalline serait constituée d'ions sodium et l'autre d'ions chlorure. Il est important de noter que les ions positifs et négatifs - et non les atomes neutres - occupent les points du réseau de la structure. Ceci génère des charges de signes opposés sur les deux surfaces. Tant que les surfaces sont éloignées les unes des autres, tous les frais s'annulent, et la dalle de sel montre une préférence pour une structure cubique. Cependant, un film suffisamment mince donne lieu à un moment dipolaire important dû aux charges opposées des deux surfaces cristallines. La structure cherche à se débarrasser du moment dipolaire, ce qui augmente l'énergie du système. Pour rendre les surfaces neutres en charge, le cristal subit un réarrangement des atomes.

Expérience vs modèle

Pour étudier comment les tendances de graphitisation varient selon le composé, les chercheurs ont examiné 16 composés binaires de formule générale AB, où A représente l'un des quatre métaux alcalins lithium Li, sodium Na, potassium K, et rubidium Rb. Ce sont des éléments hautement réactifs trouvés dans le groupe 1 du tableau périodique. Le B dans la formule représente l'un des quatre halogènes fluor F, chlore Cl, Br brome, et l'iode I. Ces éléments appartiennent au groupe 17 du tableau périodique et réagissent facilement avec les métaux alcalins.

Tous les composés de cette étude se présentent sous plusieurs structures, également connu sous le nom de réseaux cristallins ou phases. Si la pression atmosphérique est augmentée à 300, 000 fois sa valeur normale, une autre phase (B2) de NaCl (représentée par la partie jaune du diagramme) devient plus stable, effectuant un changement dans le réseau cristallin. Pour tester leur choix de méthodes et de paramètres, les chercheurs ont simulé deux réseaux cristallins et calculé la pression qui correspond à la transition de phase entre eux. Leurs prédictions sont en accord avec les données expérimentales.

À quel point devrait-il être mince?

Les composés entrant dans le cadre de cette étude peuvent tous avoir une forme hexagonale, phase G "graphitique" (le rouge sur le schéma) qui est instable en volume 3D mais devient la structure la plus stable pour les films ultrafins (2D ou quasi-2-D). Les chercheurs ont identifié la relation entre l'énergie de surface d'un film et le nombre de couches qu'il contient pour les structures cubiques et hexagonales. Ils ont représenté graphiquement cette relation en traçant deux lignes avec des pentes différentes pour chacun des composés étudiés. Chaque paire de lignes associée à un composé a un point commun qui correspond à l'épaisseur critique de la dalle qui rend la conversion d'une structure cubique à une structure hexagonale énergétiquement favorable. Par exemple, le nombre critique de couches s'est avéré proche de 11 pour tous les sels de sodium et compris entre 19 et 27 pour les sels de lithium.

Sur la base de ces données, les chercheurs ont établi une relation entre le nombre critique de couches et deux paramètres qui déterminent la force des liaisons ioniques dans divers composés. Le premier paramètre indique la taille d'un ion d'un métal donné, son rayon ionique. Le deuxième paramètre est appelé électronégativité et est une mesure de la capacité de l'atome à attirer les électrons de l'élément B. Une électronégativité plus élevée signifie une attraction plus puissante des électrons par l'atome, une nature ionique plus prononcée de la liaison, un dipôle de plus grande surface, et une épaisseur de dalle critique inférieure.

Pavel Sorokin, responsable du Laboratoire de Simulation de Nouveaux Matériaux à TISNCM déclare :"Ce travail a déjà séduit nos confrères d'Israël et du Japon. S'ils confirment expérimentalement nos découvertes, ce phénomène [de graphitisation] fournira une voie viable à la synthèse de films ultraminces avec des applications potentielles en nanoélectronique. »

Les scientifiques ont l'intention d'élargir la portée de leurs études en examinant d'autres composés. Ils pensent que des films ultrafins de composition différente pourraient également subir une graphitisation spontanée, produisant de nouvelles structures en couches avec des propriétés encore plus intrigantes.