Une équipe comprenant des physiciens de l'Université de Bâle a réussi à utiliser la microscopie à force atomique pour obtenir des images claires d'atomes d'impuretés individuels dans des rubans de graphène. Grâce aux forces mesurées dans le réseau de carbone bidimensionnel du graphène, ils ont pu identifier le bore et l'azote pour la première fois, comme le rapportent les chercheurs dans la revue Avancées scientifiques .

Le graphène est constitué d'une couche bidimensionnelle d'atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal. Les liaisons fortes entre les atomes de carbone rendent le graphène extrêmement stable mais flexible. C'est également un excellent conducteur électrique à travers lequel l'électricité peut circuler avec presque aucune perte.

Les propriétés distinctives du graphène peuvent être encore étendues en incorporant des atomes d'impuretés dans un processus connu sous le nom de « dopage ». Les atomes d'impuretés provoquent des changements locaux de la conduction qui, par exemple, permettre au graphène d'être utilisé comme un minuscule transistor et permettre la construction de circuits.

Dans une collaboration entre des scientifiques de l'Université de Bâle et de l'Institut national des sciences des matériaux de Tsukuba au Japon, Université de Kanazawa et Université Kwansei Gakuin au Japon, et l'Université Aalto en Finlande, les chercheurs ont spécifiquement créé et examiné des rubans de graphène contenant des atomes d'impuretés.

Ils ont remplacé des atomes de carbone particuliers dans le réseau hexagonal par des atomes de bore et d'azote en utilisant la chimie de surface, en plaçant des composés précurseurs organiques appropriés sur une surface en or. Sous l'exposition à la chaleur jusqu'à 400°C, de minuscules rubans de graphène formés à la surface de l'or à partir des précurseurs, y compris les atomes d'impuretés à des sites spécifiques.

Les scientifiques de l'équipe dirigée par le professeur Ernst Meyer de l'Institut suisse des nanosciences et du Département de physique de l'Université de Bâle ont examiné ces rubans de graphène à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM). Ils ont utilisé une pointe fonctionnalisée au monoxyde de carbone et mesuré les minuscules forces qui agissent entre la pointe et les atomes individuels.

Cette méthode permet de détecter même les plus petites différences de forces. En regardant les différentes forces, les chercheurs ont pu cartographier et identifier les différents atomes. "Les forces mesurées pour les atomes d'azote sont plus importantes que pour un atome de carbone, " explique le Dr Shigeki Kawai, auteur principal de l'étude et ancien post-doctorant dans l'équipe de Meyer. "Nous avons mesuré les plus petites forces pour les atomes de bore." Les différentes forces peuvent être expliquées par la proportion différente de forces répulsives, ce qui est dû aux différents rayons atomiques.

Des simulations informatiques ont confirmé les lectures, prouvant que la technologie AFM est bien adaptée à la conduite d'analyses chimiques des atomes d'impuretés dans les composés carbonés bidimensionnels prometteurs.