Une équipe internationale de scientifiques a mis au point une nouvelle façon de produire du graphène monocouche à partir d'un précurseur simple :l'éthène - également connu sous le nom d'éthylène - la plus petite molécule d'alcène, qui ne contient que deux atomes de carbone.

En chauffant l'éthène par étapes à une température légèrement supérieure à 700 degrés Celsius, soit plus que ce qui avait été tenté auparavant, les chercheurs ont produit des couches pures de graphène sur un substrat de catalyseur au rhodium. Le chauffage par étapes et la température plus élevée ont surmonté les défis rencontrés dans les efforts antérieurs pour produire du graphène directement à partir de précurseurs d'hydrocarbures.

En raison de son faible coût et de sa simplicité, la technique pourrait ouvrir de nouvelles applications potentielles pour le graphène, qui a des propriétés physiques et électroniques intéressantes. Le travail fournit également un nouveau mécanisme pour l'auto-évolution des précurseurs d'agrégats de carbone dont la coalescence diffusionnelle entraîne la formation des couches de graphène.

La recherche, rapporté comme article de couverture dans le numéro du 4 mai du Journal de chimie physique C , a été menée par des scientifiques du Georgia Institute of Technology, Technische Universität München en Allemagne, et l'Université de St. Andrews en Écosse. Aux Etats-Unis, la recherche a été soutenue par l'Office of Scientific Research de l'US Air Force et l'Office of Basic Energy Sciences du ministère américain de l'Énergie.

"Comme le graphène est fabriqué à partir de carbone, nous avons décidé de commencer avec le type de molécules de carbone le plus simple et de voir si nous pouvions les assembler en graphène, " a expliqué Uzi Landman, un professeur des Regents et une chaire dotée de F.E. Callaway à la Georgia Tech School of Physics qui a dirigé la composante théorique de la recherche. « À partir de petites molécules contenant du carbone, vous vous retrouvez avec des morceaux macroscopiques de graphène."

Le graphène est maintenant produit à l'aide de diverses méthodes, notamment le dépôt chimique en phase vapeur, évaporation du silicium du carbure de silicium - et simple exfoliation des feuilles de graphène du graphite. Un certain nombre d'efforts antérieurs pour produire du graphène à partir de simples précurseurs d'hydrocarbures s'étaient avérés largement infructueux, créant de la suie désordonnée plutôt que du graphène structuré.

Guidé par une approche théorique, les chercheurs ont estimé que le chemin de l'éthène au graphène impliquerait la formation d'une série de structures alors que les atomes d'hydrogène laissent les molécules d'éthène et les atomes de carbone s'auto-assembler dans le motif en nid d'abeille qui caractérise le graphène. Pour explorer la nature des transformations catalysées par la surface du rhodium induites thermiquement de l'éthène au graphène, des groupes expérimentaux en Allemagne et en Écosse ont élevé la température du matériau par étapes sous ultra-vide. Ils ont utilisé la microscopie à balayage tunnel (STM), la désorption thermique programmée (TPD) et la spectroscopie de perte d'énergie électronique (vibrationnelle) à haute résolution (HREELS) pour observer et caractériser les structures qui se forment à chaque étape du processus.

Lors du chauffage, l'éthylène adsorbé sur le catalyseur au rhodium évolue via des réactions de couplage pour former des hydrocarbures polyaromatiques monodimensionnels segmentés (1D-PAH). Un chauffage supplémentaire conduit à un croisement de dimensionnalité - des structures unidimensionnelles à deux dimensions - et des processus de restructuration dynamique aux extrémités de la chaîne HAP avec un détachement activé ultérieur des amas de carbone sélectifs en taille, suivant un mécanisme révélé par des simulations de mécanique quantique de principes premiers. Finalement, la coalescence diffusionnelle limitant la vitesse de ces précurseurs d'amas dynamiquement auto-évolués conduit à une condensation en graphène avec une grande pureté.

Au stade final avant la formation du graphène, les chercheurs ont observé des amas presque ronds en forme de disque contenant 24 atomes de carbone, qui s'étendent pour former le réseau de graphène. « La température doit être élevée dans des plages de températures pour permettre aux structures requises de se former avant la prochaine étape de chauffage, " expliqua Landman. " Si vous vous arrêtez à certaines températures, vous risquez de vous retrouver avec de la cokéfaction."

Un élément important est le processus de déshydrogénation qui libère les atomes de carbone pour former des formes intermédiaires, mais une partie de l'hydrogène réside temporairement, ou près, la surface du catalyseur métallique et il aide au processus de rupture de liaison ultérieur qui conduit au détachement des précurseurs de cluster à 24 carbones. « Tout au long du chemin, il y a une perte d'hydrogène des clusters, " a déclaré Landman. " L'augmentation de la température fait essentiellement " bouillir " l'hydrogène de la structure de carbone supportée par un métal en évolution, culminant dans le graphène."

La structure de graphène résultante est adsorbée sur le catalyseur. Il peut être utile attaché au métal, mais pour d'autres applications, un moyen de l'enlever devra être développé. Landman a ajouté :"C'est une nouvelle route vers le graphène, et l'application technologique possible n'a pas encore été explorée."