Une nouvelle méthode pour produire de grandes, Les films monocouches de graphène de type monocristallin de plus d'un pied de long reposent sur l'exploitation d'une compétition de « survie du plus apte » parmi les cristaux. La nouvelle technique, développé par une équipe dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, peut ouvrir de nouvelles opportunités pour la croissance des matériaux bidimensionnels de haute qualité nécessaires aux applications pratiques tant attendues.

La fabrication de fines couches de graphène et d'autres matériaux 2D à l'échelle requise à des fins de recherche est courante, mais ils doivent être fabriqués à une échelle beaucoup plus grande pour être utiles.

Le graphène est vanté pour son potentiel de résistance sans précédent et de conductivité électrique élevée et peut être fabriqué selon des approches bien connues :séparer les flocons de graphite - le matériau doux et argenté que l'on trouve dans les crayons - en couches d'un atome d'épaisseur, ou le faire croître atome par atome sur un catalyseur à partir d'un précurseur gazeux jusqu'à la formation de couches ultrafines.

L'équipe de recherche dirigée par l'ORNL a utilisé cette dernière méthode, connue sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur, ou CVD, mais avec une torsion. Dans une étude publiée dans Matériaux naturels , ils ont expliqué comment le contrôle localisé du processus CVD permet une évolution, ou auto-sélectionné, croissance dans des conditions optimales, donnant une grande, feuille de graphène de type monocristallin.

"Les gros monocristaux sont plus robustes mécaniquement et peuvent avoir une conductivité plus élevée, ", a déclaré Ivan Vlassiouk, co-auteur principal de l'ORNL. "C'est parce que les faiblesses résultant des interconnexions entre les domaines individuels du graphène polycristallin sont éliminées."

"Notre méthode pourrait être la clé non seulement pour améliorer la production à grande échelle de graphène monocristallin, mais également pour d'autres matériaux 2D, ce qui est nécessaire pour leurs applications à grande échelle, " il ajouta.

Tout comme les approches CVD traditionnelles pour produire du graphène, les chercheurs ont pulvérisé un mélange gazeux de molécules précurseurs d'hydrocarbures sur un métal, feuille polycristalline. Cependant, ils contrôlaient soigneusement le dépôt local des molécules d'hydrocarbures, les amenant directement au bord du film de graphène émergent. Au fur et à mesure que le substrat se déplaçait en dessous, les atomes de carbone assemblés en continu en un seul cristal de graphène jusqu'à un pied de longueur.

"La croissance non encombrée du graphène de type monocristallin peut aller presque en continu, comme un rouleau à rouleau et au-delà des échantillons d'un pied de long démontrés ici, " a déclaré Sergueï Smirnov, co-auteur et professeur à l'Université d'État du Nouveau-Mexique.

Lorsque les hydrocarbures touchent la feuille de catalyseur chaude, ils forment des amas d'atomes de carbone qui se développent au fil du temps dans des domaines plus larges jusqu'à ce qu'ils fusionnent pour couvrir l'ensemble du substrat. L'équipe a précédemment constaté qu'à des températures suffisamment élevées, les atomes de carbone du graphène n'étaient pas corrélés, ou miroir, les atomes du substrat, permettant une croissance cristalline non épitaxiale.

Étant donné que la concentration du mélange gazeux influence fortement la vitesse de croissance du monocristal, fournir le précurseur d'hydrocarbure près du bord existant du cristal de graphène unique peut favoriser sa croissance plus efficacement que la formation de nouveaux amas.

« Dans un environnement aussi contrôlé, l'orientation des cristaux de graphène à la croissance la plus rapide dépasse les autres et est « sélectionnée de manière évolutive » en un seul cristal, même sur un substrat polycristallin, sans avoir à faire correspondre l'orientation du substrat, ce qui se produit généralement avec la croissance épitaxiale standard, " a déclaré Smirnov.

Ils ont découvert que pour assurer une croissance optimale, il était nécessaire de créer un "vent" qui aide à éliminer les formations d'amas. "Il était impératif que nous créions un environnement où la formation de nouveaux clusters avant le front de croissance était totalement supprimée, et l'agrandissement du bord de croissance du grand cristal de graphène n'a pas été entravé, " dit Vlassiouk. " Alors, et alors seulement, rien ne s'oppose à la croissance cristalline "la plus adaptée" lorsque le substrat est en mouvement."

Les théoriciens de l'équipe, dirigé par le coauteur du professeur de l'Université Rice Boris Yakobson, fourni un modèle expliquant quelles orientations cristallines possèdent les propriétés uniques qui les rendent les plus aptes à survivre, et pourquoi le choix d'un gagnant peut dépendre du substrat et des précurseurs.

« Si jamais le graphène ou tout autre matériau 2D passe à l'échelle industrielle, cette approche sera déterminante, similaire à la méthode de Czochralski pour le silicium." Yakobson a déclaré. "Les fabricants peuvent être assurés que lorsqu'un grand, la couche brute de la taille d'une plaquette est coupée pour toute fabrication de dispositif, chaque pièce résultante sera un monocristal de qualité. Ce potentiellement énorme, rôle percutant nous motive à explorer les principes théoriques pour être aussi clairs que possible."

Reste à voir la mise à l'échelle pratique du graphène à l'aide de la méthode de l'équipe, mais les chercheurs pensent que leur méthode de croissance monocristalline par sélection évolutive pourrait également être appliquée à des matériaux 2D alternatifs prometteurs tels que le nitrure de bore, également connu sous le nom de « graphène blanc, " et le bisulfure de molybdène.