À l'aide d'une nouvelle technique, les scientifiques ont obtenu un noyau de cuivre Cu(111) monocristallin à l'extrémité effilée de la feuille qui s'est progressivement étendu sur toute la longueur de la feuille en plusieurs minutes (b). Cette feuille de cuivre monocristalline a été utilisée comme substrat pour faire pousser du graphène à sa surface. Le processus de cristallisation du graphène a commencé avec de petits îlots hexagonaux de cristaux de graphène, qui a grandi pour couvrir toute la surface (c, de gauche à droite). Les lignes pointillées violettes (c) montrent que les îlots de graphène hexagonaux sont parallèles les uns aux autres :un aspect clé pour la réussite du processus de cristallisation. Crédit :IBS, Université de Pékin
Grâce à sa conductivité, force et souplesse, le graphène est considéré comme l'un des substituts les plus probables du silicium et d'autres matériaux. Cependant, il n'a pas encore abouti à des applications industrielles. Le graphène monocristallin de haute qualité ne peut être produit qu'en quantités de quelques millimètres à quelques centimètres. Récemment, une équipe dirigée par le professeur Feng Ding et le professeur Rodney Ruoff avec l'Institute for Basic Science (IBS), le professeur Kaihui Liu de l'Université de Pékin, et leurs collaborateurs ont rapporté la synthèse d'une grande feuille de graphène monocristallin monocouche. Ce résultat permet un bond en avant dans la production de graphène vers une méthode optimisée de fabrication d'un presque parfait (> 99,9 % aligné) 5 × 50 cm 2 graphène monocristallin en seulement 20 minutes. De plus, les faibles coûts de production, comparable aux films de graphène polycristallin de qualité inférieure disponibles dans le commerce, pourrait étendre sa facilité d'utilisation. Détaillé dans Bulletin scientifique , la méthode devrait stimuler d'autres travaux fondamentaux sur le graphène et les matériaux connexes, y compris le pliage à grande échelle de feuilles de graphène, semblable au papier, créer des formes de type origami ou kirigami qui pourraient être appliquées aux futurs circuits flexibles.
Le graphène monocristallin est une monocouche en forme de nid d'abeilles d'atomes de carbone, uniforme dans tout le matériau D'autre part, le graphène polycristallin est formé d'îlots de graphène orientés aléatoirement, ce qui diminue sa qualité. Actuellement, les scientifiques sont capables de cultiver du graphène polycristallin de la taille d'un mètre et du graphène monocristallin plus petit, allant de 0,01 mm 2 à quelques cm 2 . La synthèse de graphène monocristallin de grande taille à faible coût est un objectif essentiel de la synthèse de graphène. Dans cette étude, le graphène est cultivé sur la surface d'un 5 × 50 cm 2 feuille de cuivre, qui a été transformé en une feuille de cuivre monocristallin par chauffage à ~ 1, 030°. La pente de température du chaud au froid a déplacé le soi-disant joint de grain en avant, créant un monocristal parfait. Dans le traitement de chauffage et de refroidissement, les atomes de cuivre migrent à l'intérieur du matériau, s'organiser en une structure ordonnée avec moins de défauts. "Le secret pour obtenir du graphène monocristallin de grande taille est d'avoir un cuivre monocristallin parfait comme base pour commencer. La grande feuille de cuivre monocristallin n'est pas disponible dans le commerce, les labos doivent donc le construire avec leurs propres moyens, " explique Feng Ding, chef de groupe au Centre pour les matériaux carbonés multidimensionnels.
Puis, via une autre technique appelée dépôt chimique en phase vapeur, des millions d'îlots de graphène parallèles se forment à la surface de la feuille de cuivre. Comme plus d'atomes de carbone sont déposés sur la feuille, les îles se développent jusqu'à ce qu'elles fusionnent et forment une couche de graphène monocristallin presque parfaite couvrant toute la surface disponible.
Trois iPhones sont placés à proximité comme référence. Crédit :IBS
Afin d'optimiser la technique, l'équipe a dû relever quatre défis techniques :(i) préparation d'une feuille de cuivre monocristallin sur une très grande surface, (ii) obtenir un haut degré d'alignement des îlots de graphène suite à leur nucléation et croissance, (iii) assembler de manière transparente les îlots de graphène en un seul cristal grâce à une croissance supplémentaire et (iv) la croissance rapide du graphène monocristallin. Bien que les rapports précédents aient abordé certains des défis ci-dessus, cette étude les a tous surmontés et a rendu possible la synthèse de graphène monocristallin de la taille d'un mètre. Le degré des îlots de graphène désalignés est inférieur à 0,1 %, équivalant à des défauts et joints de grains négligeables dans les produits.
Le résultat actuel n'était limité que par la taille de la feuille de cuivre et, en principe, la taille de la feuille de cuivre et du film de graphène pourrait être illimitée. En outre, compte tenu du temps très court de synthèse du graphène (20 minutes) et du montage expérimental relativement peu coûteux, le prix d'un graphène monocristallin (ou presque monocristallin) pourrait être proche de celui des films de graphène polycristallin actuels.
"Le rêve de nombreux scientifiques est de remplacer le silicium, " dit Ding. " Maintenant, nous explorons quel est le meilleur matériau pour faire pousser du graphène dessus, et comment utiliser le cuivre comme substrat pour d'autres matériaux 2D intéressants."
