Le graphène est l'étoffe du futur. Pendant des années, les chercheurs et les technologues ont prédit l'utilité des feuilles de carbone pur d'une épaisseur d'un atome dans tout, des écrans tactiles avancés et des semi-conducteurs aux batteries longue durée et aux cellules solaires de nouvelle génération.

Mais les propriétés intrinsèques uniques du graphène - des conductivités électrique et thermique suprêmes et une mobilité électronique remarquable, pour n'en citer que quelques-uns - ne peut être pleinement réalisé que s'il est cultivé sans défauts qui perturbent le motif en nid d'abeille des atomes de carbone liés.

Une équipe dirigée par le scientifique des matériaux Anirudha Sumant avec le Centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) et la Division des sciences des matériaux du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) Argonne National Laboratory, avec des collaborateurs de l'Université de Californie-Riverside, a développé une méthode pour faire pousser du graphène qui contient relativement peu d'impuretés et coûte moins cher à fabriquer, en un temps plus court et à des températures inférieures par rapport aux procédés largement utilisés pour fabriquer du graphène aujourd'hui.

Les travaux théoriques menés par le nanoscientifique d'Argonne Subramanian Sankaranarayanan au CNM ont aidé les chercheurs à comprendre les processus au niveau moléculaire qui sous-tendent la croissance du graphène.

"J'avais eu affaire à toutes ces différentes techniques de culture du graphène, et vous ne voyez jamais un tel uniforme, surface lisse."

La nouvelle technologie exploite le diamant ultrananocristallin (UNCD), un type de diamant synthétique que les chercheurs d'Argonne ont mis au point grâce à des années de recherche. L'UNCD sert de substrat physique, ou surface sur laquelle pousse le graphène, et la source des atomes de carbone qui composent une feuille de graphène produite rapidement.

« Quand j'ai regardé la [micrographie électronique à balayage] pour la première fois et que j'ai vu ce bel uniforme, couche très complète, c'était incroyable, " a déclaré Diana Berman, le premier auteur de l'étude et ancien associé de recherche postdoctoral qui a travaillé avec Sumant et est maintenant professeur adjoint à l'Université de North Texas. "J'avais eu affaire à toutes ces différentes techniques de culture du graphène, et vous ne voyez jamais un tel uniforme, surface lisse."

Les protocoles actuels de fabrication de graphène introduisent des impuretés pendant le processus de gravure lui-même, ce qui implique l'ajout d'acide et de polymères supplémentaires, et lorsqu'ils sont transférés sur un substrat différent pour une utilisation en électronique.

« Les impuretés introduites lors de cette gravure et de l'étape de transfert affectent négativement les propriétés électroniques du graphène, ", a déclaré Sumant. "Donc, vous n'obtenez pas les propriétés intrinsèques du graphène lorsque vous effectuez réellement ce transfert."

L'équipe a découvert que la monocouche, le graphène à domaine unique peut être cultivé sur des trous de la taille du micron latéralement, les rendant complètement autonomes (c'est-à-dire, détaché du substrat sous-jacent). Cela permet d'exploiter les propriétés intrinsèques du graphène en fabriquant des dispositifs directement sur du graphène autonome.

Le nouveau procédé est également beaucoup plus rentable que les méthodes conventionnelles basées sur l'utilisation de carbure de silicium comme substrat. Sumant dit que les plaquettes de carbure de silicium de 3 à 4 pouces utilisées dans ces types de méthodes de croissance coûtent environ 1 $, 200, tandis que les films UNCD sur plaquettes de silicium coûtent moins de 500 $ à fabriquer.

La méthode du diamant prend également moins d'une minute pour faire pousser une feuille de graphène, où la méthode conventionnelle prend l'ordre des heures.

La haute qualité du graphène a été confirmée par les co-auteurs de l'UC Riverside, Zhong Yan et Alexander Balandin, en fabriquant des transistors à effet de champ à grille supérieure à partir de ce matériau et en mesurant sa mobilité électronique et sa concentration en porteurs de charge.

« Il est bien connu que certains métaux, comme le nickel et le fer, dissoudre le diamant à des températures élevées, et le même procédé a été utilisé pendant de nombreuses années pour polir le diamant, " a déclaré Sumant. Lui et son équipe ont utilisé cette propriété pour utiliser le nickel dans la conversion de la couche supérieure de diamant en carbone amorphe, mais il n'était pas clair comment ces atomes de carbone libérés se sont convertis instantanément en graphène de haute qualité.

Après la percée initiale de Sumant et Berman de la culture du graphène directement sur UNCD, Sankaranarayanan et ses post-doctorants Badri Narayanan et Sanket Deshmukh, Les scientifiques des matériaux informatiques du CNM ont utilisé les ressources de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) pour aider l'équipe à mieux comprendre le mécanisme du processus de croissance sous-jacent à ce phénomène intéressant à l'aide de simulations dynamiques moléculaires réactives.

Simulations informatiques développées par Narayanan, Deshmukh et Sankaranarayanan ont montré que certaines orientations cristallographiques du nickel-111 favorisent fortement la nucléation, et la croissance rapide subséquente du graphène; cela a ensuite été confirmé expérimentalement.

Ces simulations à grande échelle ont également montré comment le graphène se forme. Les atomes de nickel diffusent dans le diamant et détruisent son ordre cristallin, tandis que les atomes de carbone de ce solide amorphe se déplacent vers la surface du nickel et forment rapidement des structures en nid d'abeilles, résultant en graphène principalement sans défaut.

Le nickel a ensuite percolé à travers les fins grains cristallins de l'UNCD, s'enfoncer et éliminer le besoin d'acide pour dissoudre les atomes de métal en excès de la surface supérieure.

"C'est comme rencontrer un bon Samaritain dans un lieu inconnu qui vous aide, fait son travail et repart tranquillement sans laisser de trace, " dit Sumant.

« La puissance prédictive éprouvée de nos simulations nous place dans une position avantageuse pour permettre la découverte rapide de nouveaux alliages catalytiques qui médient la croissance du graphène de haute qualité sur les diélectriques et s'éloignent d'eux-mêmes lorsque la croissance est terminée, " a ajouté Narayanan.

En plus de l'utilité de rendre minimalement défectueux, graphène prêt à l'emploi pour des choses comme les capteurs de vibration basse fréquence, transistors radiofréquence et meilleures électrodes pour la purification de l'eau, Berman et Sumant disent que l'équipe d'Argonne a déjà obtenu trois brevets découlant de leur nouvelle méthode de croissance du graphène.

Les chercheurs ont déjà conclu une collaboration avec l'Institut suédois de physique spatiale impliquant l'Agence spatiale européenne pour leur programme Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) visant à développer des sondes recouvertes de graphène qui pourraient aider les véhicules d'exploration à détecter les propriétés du plasma entourant les lunes de Jupiter.

Plus proche de la maison, l'équipe a également conçu des aiguilles de diamant et de graphène pour les chercheurs de l'Université de Caroline du Nord à utiliser dans des applications de biodétection.

Les chercheurs d'Argonne peaufinent maintenant le processus - en ajustant la température utilisée pour catalyser la réaction et en ajustant l'épaisseur du substrat de diamant et la composition du film métallique qui facilite la croissance du graphène - pour à la fois optimiser la réaction et mieux étudier la physique à l'interface graphène-diamant.

"Nous essayons de régler cela plus soigneusement pour mieux comprendre quelles conditions conduisent à quelle qualité de graphène nous voyons, " a déclaré Berman.

Les autres auteurs d'Argonne impliqués dans l'étude étaient Alexander Zinovev et Daniel Rosenmann. Le papier, "Transformation rapide induite par le métal du diamant en graphène monocouche et multicouche à l'échelle d'une plaquette, " est publié dans Communication Nature .