Une récente étude de mécanique quantique du graphène par une équipe de recherche de l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Corée du Sud, a élucidé le mécanisme d'intercalation et les voies de découplage du graphène du substrat de cuivre.

Les films de graphène, cultivés sur les substrats de cuivre (Cu) doivent être détachés proprement sans laisser de résidus, car les impuretés métalliques résiduelles peuvent altérer considérablement les propriétés électroniques et électrochimiques du graphène.

Cependant, grâce aux progrès récents de la méthode de transfert de graphène, la corrosion électrochimique des revêtements de graphène sur Cu a permis au matériau monocouche d'être délaminé mécaniquement sans compromettre de manière significative son intégrité structurelle.

La nouvelle recherche UNIST sur le graphène s'oriente dans une nouvelle direction en séparant avec succès le graphène de ses substrats de croissance métalliques sans l'aide du ruban adhésif. Les résultats de la recherche ont été publiés dans le numéro d'août du Journal de l'American Chemical Society ( JACS ).

Dans l'étude, dirigé par le professeur Sang Kyu Kwak (École d'énergie et de génie chimique) et le professeur Rodney Ruoff (Center for Multidimensional Carbon Materials), l'équipe de recherche a révélé la chimie d'oxydation de surface de la surface de Cu (111) recouverte de nanoruban.

Spécifiquement, ils ont démontré que le type de bord du nanoruban de graphène (GNR) influence les étapes initiales d'oxydation de la surface de Cu, entraînant ainsi le découplage du nanoruban par l'intercalation de molécules d'adsorbat environnantes (par exemple, l'oxygène et l'eau).

La différence entre le GNR fauteuil et le GNR zigzag sur le substrat Cu(111), se distingue par la présence d'un état de bord dans les bords GNR en zigzag, qui a été attribué à l'hybridation entre les orbitales π de carbone hors du plan et les orbitales d de métal. Cet état de bord, cependant, est absent dans les atomes de bord du fauteuil GNR. Une telle observation n'a pas été rapportée pour le GNR à terminaison H sur Cu(111).

Les calculs du mode d'étirement vibratoire ont montré que les bords du GNR influençaient l'adsorption moléculaire de l'oxygène aux sites nu et GNR/Cu, confirmant le rôle des bords GNR dans l'affaiblissement de la liaison O-O pré-allongée à l'interface GNR/Cu. L'équipe de recherche a également expliqué que les bords GNR facilitaient la stabilisation des molécules d'eau (indépendamment de l'oxygénation de surface), qui serait autrement instable sur la surface nue de Cu.

Dr Kester Wong, qui prend en charge l'intégralité de la recherche, note que "les interactions médiées par GNR entre l'eau et les radicaux d'oxygène chimisorbés peuvent éclairer davantage le rôle de l'eau et de l'oxygène dans la formation d'oxyde de surface."

"Cette étude particulière peut avoir des implications intéressantes pour le développement de la catalyse régiosélective à base de graphène. Néanmoins, l'utilisation d'autres facettes cristallines pour l'étude interfaciale de matériaux de faible dimension est d'un grand intérêt, et plusieurs investigations sont fortement poursuivies par notre groupe dans ce domaine", dit le professeur Kwak.