Un groupe de recherche NIMS a développé une nouvelle technique pour synthétiser des films monocouches composés de matériaux bidimensionnels soigneusement carrelés, tels que les nanofeuillets d'oxyde et le graphène, sur les surfaces de substrat en aussi rapidement qu'une minute.

Un groupe de recherche NIMS dirigé par Takayoshi Sasaki a développé une nouvelle technique pour synthétiser des films monocouches composés de matériaux bidimensionnels soigneusement carrelés, tels que les nanofeuillets d'oxyde et le graphène, sur les surfaces du substrat en une minute environ. La technique peut faciliter la production industrielle de divers dispositifs à base de nanofeuillets car elle offre une alternative plus simple et plus rapide au conventionnel, procédures compliquées de fabrication de films.

Les matériaux bidimensionnels ultimes d'épaisseur à l'échelle atomique ou moléculaire - représentés par des nanofeuillets de graphène et d'oxyde - possèdent un certain nombre de propriétés extrêmement souhaitables (par exemple, haute conductivité, propriétés diélectriques et catalytiques élevées). Pour cette raison, leur potentiel d'innovation technologique dans un large éventail de domaines, y compris l'électronique, les technologies environnementales et énergétiques ont été très attendues, ce qui en fait l'objet d'efforts actifs de R&D dans le monde entier. De nombreux matériaux bidimensionnels ont été produits sous forme colloïdale (c. matériaux en feuille avec des largeurs dans la plage du micromètre dispersés dans des solutions). Afin de tirer pleinement parti des propriétés de ces matériaux pour les applications de dispositifs, une première étape importante consiste à les disposer de manière ordonnée, comme des cartes à jouer, sur les surfaces de divers matériaux de base. En d'autres termes, il est essentiel de développer une technique pour éliminer les écarts et les chevauchements entre les nanofeuillets disposés dans des films monocouches. Une fois qu'un film monocouche peut être synthétisé avec succès, il sera possible de synthétiser des films multicouches et des films superréseaux en répétant le processus de synthèse de film monocouche. Cette approche pourrait potentiellement conduire au développement de dispositifs aux fonctions diverses. Actuellement, la méthode de Langmuir-Blodgett (LB) est généralement utilisée pour synthétiser des monocouches composées de nanofeuillets soigneusement carrelés. Cependant, cette méthode n'est pas pratique pour la production à l'échelle industrielle car elle nécessite une manipulation habile et des conditions complexes. En outre, la fabrication des films par cette méthode prend normalement environ une heure. En raison de ces problèmes, il y a une forte demande pour le développement de plus simples, des techniques de fabrication de films plus rapides et plus pratiques industriellement.

Le groupe de recherche a réussi à utiliser une simple procédure de revêtement par centrifugation pour synthétiser un film monocouche composé de nanofeuilles soigneusement carrelées en environ une minute, beaucoup plus rapidement que la méthode LB. Spécifiquement, le groupe a appliqué une petite quantité d'une suspension organique contenant des nanofeuillets d'oxyde ou du graphène sur une surface de substrat et a revêtu le substrat par centrifugation à des vitesses de rotation appropriées. La combinaison équilibrée de la force centrifuge générée par le substrat en rotation et de la force existant entre les nanofeuillets et la surface du substrat empêche les nanofeuillets de se chevaucher ou de former des espaces, entraînant la formation de films monocouches lisses au niveau atomique. Le groupe a en outre confirmé que la répétition de cette procédure de revêtement permet aux nanofeuilles d'être progressivement superposées en films multicouches ; donc, l'épaisseur du film peut être contrôlée par incréments d'épaisseur de nanofeuille. En outre, le groupe a vérifié que cette technique est applicable à des matériaux bidimensionnels de composition et de structure variables, et peut être utilisé pour fabriquer des films sur les surfaces de substrats de formes variables, taille et matière. Par conséquent, cette technique de fabrication de film peut être considérée comme très polyvalente.

Dans cette étude, le groupe a réussi à synthétiser des films composés de nanofeuillets bidimensionnels soigneusement carrelés en utilisant un tout nouveau mécanisme. De ce point de vue, l'accomplissement est précieux et académiquement nouveau. En outre, la technique permet la fabrication rapide et facile de monocouches et de multicouches composées de nanofeuilles soigneusement carrelées, un processus vital dans l'application de matériaux nanofeuillets. Par conséquent, le développement de la technique peut être considéré comme une percée dans la mise en pratique de la production industrielle de dispositifs à base de nanofeuillets.

Une partie de cette étude a été financée par le MEXT Grant-in-Aid pour un projet de recherche scientifique (A) intitulé « Pionner les nouvelles fonctions des nanofeuillets inorganiques bidimensionnels en formant des hétérostructures multicouches ».

Cette étude a été publiée dans la version en ligne de Avancées scientifiques .