Fig.1 Comparaison des procédés de réduction des oxydes de graphène avec (a) les méthodes conventionnelles et (b) nos méthodes. Dessins schématiques de porteurs fluides (électrons et trous) dans (c) le graphène faiblement cristallin et (d) le graphène hautement cristallin. Dépendance à la température de la conductance dans les films d'oxyde de graphène réduit préparés par traitement thermique à (e) 900ºC et (f) 1130ºC. A partir de l'analyse de la dépendance à la température de la conductance, le mécanisme de transport des porteurs des films d'oxyde de graphène réduits préparés par traitement à haute température dans de la vapeur d'éthanol à 1130 °C montre le transport en bande dans la plage de 300 à 40 K pour la température de mesure (voir Fig. 1(f)). Crédit :Université d'Osaka
Les chercheurs ont découvert une procédure pour restaurer les structures d'oxyde de graphène défectueuses qui font que le matériau présente une faible mobilité des porteurs. En appliquant un traitement de réduction à haute température dans un environnement d'éthanol, les structures défectueuses ont été restaurées, conduisant à la formation d'un film de graphène hautement cristallin avec un excellent transport en bande. Ces découvertes devraient être utilisées dans des techniques de production évolutives de films de graphène hautement cristallins.
Le graphène est un matériau avec une excellente conductivité électrique, force mécanique, stabilité chimique, et une grande surface. Sa structure consiste en une couche d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome. En raison de ses attributs positifs, des recherches sur sa synthèse et son application aux appareils électroniques sont menées dans le monde entier. Bien qu'il soit possible de créer du graphène à partir d'oxyde de graphène (GO), un matériau produit par exfoliation chimique à partir de graphite par traitement oxydant, ce traitement provoque des structures défectueuses et l'existence de groupements oxygénés, provoquant l'affichage de propriétés conductrices faibles par GO. Jusque là, mobilité des porteurs, l'indicateur de base avec lequel les performances du transistor sont exprimées, est resté à quelques cm2/Vs au maximum. Un groupe de chercheurs dirigé par Ryota Negishi, maître assistant, et Yoshihiro Kobayashi, professeur, Ecole Supérieure d'Ingénieurs, Université d'Osaka ; Masashi Akabori, professeur agrégé, Institut avancé japonais des sciences et de la technologie ; Takahiro Ito, professeur agrégé, Ecole Supérieure d'Ingénieurs, Université de Nagoya ; et Yoshio Watanabe, Directeur adjoint, Centre de rayonnement synchrotron d'Aichi, ont développé un traitement de réduction grâce auquel la cristallinité de GO a été considérablement améliorée.
Les chercheurs ont recouvert un substrat de 1 à 3 couches extrêmement fines de GO et ont ajouté une petite quantité d'éthanol au processus de réduction à haute température jusqu'à 1 100 °C. L'ajout du gaz éthanol à base de carbone a conduit à la restauration efficace de la structure défectueuse du graphène. Pour la première fois au monde, ce groupe a réussi à observer un transport en forme de bande reflétant les propriétés intrinsèques de transport électrique dans les films GO chimiquement réduits. Le transport en bande est un mécanisme de conduction dans lequel les porteurs utilisent les mécanismes électriques périodiques des cristaux solides comme onde de transmission. Le transport de bande observé dans cette étude a atteint une mobilité de porteur d'environ 210 cm2/Vs, actuellement le niveau le plus élevé observé dans les films GO chimiquement réduits.
Fig.2 Images au microscope électronique à transmission observées à partir des films d'oxyde de graphène réduit préparés par traitement à l'éthanol à (a) 900ºC et (b) 1100ºC. Pour le traitement à haute température, les points brillants périodiques sont observés dans les films d'oxyde de graphène réduit. Cela signifie que la cristallinité de l'oxyde de graphène réduit est efficacement améliorée par un traitement à haute température dans un environnement d'éthanol. Crédit :Université d'Osaka
La création réussie de films minces de graphène obtenue grâce à la méthode de réduction ci-dessus a ouvert la possibilité de leur application dans un ensemble diversifié de dispositifs électroniques et de capteurs. Les résultats de ce groupe de recherche constituent une étape importante dans le développement de matériaux évolutifs qui utilisent les excellentes propriétés physiques du graphène.
Cette recherche a été présentée dans Rapports scientifiques (Nature Publishing Group) le 1er juillet 2016.
