Pour protéger le graphène des rides et des contaminants qui nuisent aux performances qui endommagent sa surface pendant la fabrication de l'appareil, Les chercheurs du MIT se sont tournés vers un matériau du quotidien :la cire.

Le graphène est un matériau fin atomique qui est prometteur pour la fabrication d'électronique de nouvelle génération. Les chercheurs explorent les possibilités d'utiliser le matériau exotique dans des circuits pour l'électronique flexible et les ordinateurs quantiques, et dans une variété d'autres appareils.

Mais retirer le matériau fragile du substrat sur lequel il a poussé et le transférer sur un nouveau substrat est particulièrement difficile. Les méthodes traditionnelles enveloppent le graphène dans un polymère qui le protège contre la casse mais introduit également des défauts et des particules à la surface du graphène. Ceux-ci interrompent le flux électrique et étouffent les performances.

Dans un article publié en Communication Nature , les chercheurs décrivent une technique de fabrication qui applique un revêtement de cire sur une feuille de graphène et la chauffe. La chaleur fait gonfler la cire, qui lisse le graphène pour réduire les rides. De plus, le revêtement peut être lavé sans laisser beaucoup de résidus.

Dans les expériences, le graphène enduit de cire des chercheurs s'est comporté quatre fois mieux que le graphène fabriqué avec une couche de protection polymère traditionnelle. Performance, dans ce cas, est mesurée en « mobilité des électrons », c'est-à-dire à la vitesse à laquelle les électrons se déplacent à la surface d'un matériau, ce qui est entravé par les défauts de surface.

"Comme cirer un sol, vous pouvez faire le même type de revêtement sur du graphène à grande surface et l'utiliser comme couche pour récupérer le graphène d'un substrat de croissance métallique et le transférer sur n'importe quel substrat souhaité, " dit le premier auteur Wei Sun Leong, un post-doctorat au Département de génie électrique et informatique (EECS). « Cette technologie est très utile, car il résout deux problèmes simultanément :les rides et les résidus de polymère."

Co-premier auteur Haozhe Wang, un doctorat étudiant en EECS, dit que l'utilisation de la cire peut sembler une solution naturelle, mais cela impliquait de sortir des sentiers battus - ou, plus précisement, en dehors du laboratoire :« En tant qu'étudiants, nous nous limitons aux matériaux sophistiqués disponibles en laboratoire. Au lieu, dans ce travail, nous avons choisi un matériau couramment utilisé dans notre vie quotidienne."

Rejoindre Leong et Wang sur le papier sont :Jing Kong et Tomas Palacios, les deux professeurs de l'EECS; Markus Buehler, professeur et chef du Département de génie civil et environnemental (CEE); et six autres étudiants diplômés, post-doctorants, et des chercheurs de l'EECS, CEE, et le Département de génie mécanique.

Le protecteur "parfait"

Pour faire pousser du graphène sur de grandes surfaces, le matériau 2-D est généralement cultivé sur un substrat de cuivre commercial. Puis, il est protégé par une couche de polymère "sacrificiel", typiquement le polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Le graphène enrobé de PMMA est placé dans une cuve de solution acide jusqu'à disparition complète du cuivre. Le PMMA-graphène restant est rincé à l'eau, puis séché, et la couche de PMMA est finalement retirée.

Les rides se produisent lorsque l'eau est piégée entre le graphène et le substrat de destination, ce que le PMMA n'empêche pas. De plus, Le PMMA comprend des chaînes complexes d'oxygène, carbone, et des atomes d'hydrogène qui forment des liaisons fortes avec les atomes de graphène. Cela laisse des particules à la surface lorsqu'il est retiré.

Les chercheurs ont essayé de modifier le PMMA et d'autres polymères pour aider à réduire les rides et les résidus, mais avec un succès minime. Les chercheurs du MIT ont plutôt cherché des matériaux complètement nouveaux, même une fois qu'ils ont essayé le film rétractable commercial. "Ce n'était pas si réussi, mais nous avons essayé, " Wang dit, en riant.

Après avoir passé au peigne fin la littérature sur la science des matériaux, les chercheurs ont atterri sur la paraffine, le blanchâtre commun, cire translucide utilisée pour les bougies, polit, et revêtements imperméables, entre autres applications.

Dans les simulations avant les tests, le groupe de Buehler, qui étudie les propriétés des matériaux, n'a trouvé aucune réaction connue entre la paraffine et le graphène. Cela est dû à la structure chimique très simple de la paraffine. "La cire était si parfaite pour cette couche sacrificielle. Ce ne sont que de simples chaînes de carbone et d'hydrogène à faible réactivité, par rapport à la structure chimique complexe du PMMA qui se lie au graphène, " dit Leong.

Transfert plus propre

Dans leur technique, les chercheurs ont d'abord fait fondre de petits morceaux de paraffine dans un four. Puis, à l'aide d'une tournette, une machine de microfabrication qui utilise la force centrifuge pour répartir uniformément le matériau sur un substrat, ils ont déposé la solution de paraffine sur une feuille de graphène cultivée sur une feuille de cuivre. Cette propagation de la paraffine dans une couche protectrice, environ 20 microns d'épaisseur, à travers le graphène.

Les chercheurs ont transféré le graphène enduit de paraffine dans une solution qui enlève la feuille de cuivre. Le graphène enrobé a ensuite été transféré dans une cuve à eau traditionnelle, qui a été chauffé à environ 40 degrés Celsius. Ils ont utilisé un substrat de destination en silicium pour ramasser le graphène par le dessous et l'ont cuit dans un four réglé à la même température.

Parce que la paraffine a un coefficient de dilatation thermique élevé, il se dilate beaucoup lorsqu'il est chauffé. Sous cette augmentation de chaleur, la paraffine se dilate et étire le graphène attaché en dessous, réduire efficacement les rides. Finalement, les chercheurs ont utilisé une solution différente pour éliminer la paraffine, laissant une monocouche de graphène sur le substrat de destination.

Dans leur papier, les chercheurs montrent des images microscopiques d'une petite zone de graphène enduit de paraffine et de PMMA. Le graphène enduit de paraffine est presque entièrement exempt de débris, alors que le graphène recouvert de PMMA semble fortement endommagé, comme une vitre rayée.

Étant donné que le revêtement à la cire est déjà courant dans de nombreuses applications de fabrication, telles que l'application d'un revêtement imperméable à un matériau, les chercheurs pensent que leur méthode pourrait être facilement adaptée aux processus de fabrication du monde réel. Notamment, l'augmentation de la température pour faire fondre la cire ne devrait pas affecter les coûts de fabrication ou l'efficacité, et la source de chauffage pourrait à l'avenir être remplacée par une lumière, disent les chercheurs.

Prochain, les chercheurs visent à minimiser davantage les rides et les contaminants laissés sur le graphène et à étendre le système à de plus grandes feuilles de graphène. Ils travaillent également sur l'application de la technique de transfert aux procédés de fabrication d'autres matériaux 2D.

« Nous continuerons à développer les matériaux 2-D parfaits à grande surface, donc ils viennent naturellement sans rides, " dit Leong.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.