Figure 1. Préparation et caractérisation des feuilles Cu/Ni(111). (a) Le schéma de la préparation des feuilles de Cu/Ni(111) montre que les films de Ni sont plaqués électrolytiquement des deux côtés d'une feuille de Cu(111), qui est suivi d'un chauffage dans une chambre de dépôt chimique en phase vapeur à 1050 oC pendant 5-7 heures pour obtenir la feuille Cu/Ni(111). En contrôlant la concentration de nickel (Ni), Les chercheurs de l'IBS ont pu obtenir du graphène bicouche et tricouche avec l'ordre d'empilement souhaité et une grande surface. (b) Une photographie d'un morceau de feuille d'alliage Cu/Ni(111) (dimensions 3 cm × 5 cm). (c) Modèle de rayons X prélevé dans différentes régions de l'ensemble de l'échantillon (3 cm × 5 cm). (d) Carte de diffraction de rétrodiffusion d'électrons indiquant l'orientation uniforme (111) des feuilles de Cu préparées. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Les chercheurs du Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) au sein de l'Institute for Basic Science (IBS, Corée du Sud) ont signalé en Nature Nanotechnologie la fabrication et l'utilisation de substrats en feuille d'alliage cuivre-nickel monocristallin pour la croissance de grandes surfaces, films monocristallins bicouches et tricouches de graphène.
La croissance de films de graphène à grande surface avec un nombre de couches et des ordres d'empilement contrôlés avec précision peut ouvrir de nouvelles possibilités en électronique et en photonique, mais reste un défi. Cette étude a montré le premier exemple de la synthèse de feuilles de graphène bi- et tricouches de plus d'un centimètre, avec des couches empilées de manière spécifique, à savoir l'empilement AB et ABA.
"Ce travail fournit des matériaux pour la fabrication de dispositifs en graphène avec de nouvelles fonctions qui n'ont pas encore été réalisées et pourraient offrir de nouvelles propriétés photoniques et optoélectroniques et autres, " explique Rodney S. Ruoff, Directeur CMCM, Professeur émérite à l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST) et auteur principal de cette étude. Le coauteur et professeur Won Jong Yoo de l'Université Sungkyunkwan note que "cela ouvre la voie à l'étude de nouvelles propriétés de transport électrique du graphène bicouche et tricouche".
Par exemple, le même groupe de recherche IBS et ses collaborateurs ont récemment publié un autre article dans Nature Nanotechnologie montrant la conversion d'un film de graphène bicouche empilé AB, cultivées sur des feuilles d'alliage cuivre/nickel (111) (feuilles Cu/Ni(111)), à une feuille semblable à un diamant, connu sous le nom de diamane. Le coauteur Pavel V. Bakharev note que :« Il y a moins d'un an, nous avons produit une monocouche de diamant fluoré, F-diamane, par fluoration d'exactement les films de graphène bicouche empilés AB décrits dans ce nouvel article. Désormais, la possibilité de produire du graphène bicouche de plus grande taille apporte un regain d'enthousiasme et montre à quelle vitesse ce domaine se développe."
Figure 2. Mesure de l'épaisseur de la couche de graphène. (a) Spectres Raman de monocouche, Graphène bicouche empilé AB et tricouche empilé ABA transféré sur des substrats SiO2/Si. L'absence de pic(s) D (à 1350 cm-1) démontre la haute qualité de ces feuillets de graphène. (b) Ajustement lorentzien des pics 2D pour la monocouche, Films de graphène empilés bicouches AB et tricouches ABA. (c-k) Images optiques et cartes Raman des îles bicouches, un film bicouche continu, et un film de graphène tricouche. L'uniformité des cartes indique que les îlots bicouches sont empilés AB et monocristallins. Les régions monocouches sont vertes, et les régions multicouches rouges. L'augmentation du temps de croissance transforme les îlots bicouches (c, ré, e) dans un film de graphène bicouche presque continu (f, g, h). Crédit : Institut des sciences fondamentales
Le bon choix de substrat est essentiel pour la croissance correcte du graphène. Les feuilles constituées uniquement de cuivre limitent la croissance du graphène bicouche et favorisent une croissance monocouche uniforme. Il est possible d'obtenir des feuilles de graphène multicouches sur film de nickel, mais ce ne sont pas uniformes, et ont tendance à avoir de petites "patchs" avec différentes épaisseurs. Finalement, les feuilles disponibles dans le commerce qui contiennent à la fois du nickel et du cuivre ne sont pas idéales. Par conséquent, Les chercheurs d'IBS ont préparé des feuilles de Cu/Ni(111) monocristallines « faites maison » avec les caractéristiques souhaitées, en s'appuyant sur une technique signalée par le groupe dans Science en 2018. Les films de nickel sont plaqués électrolytiquement sur des feuilles de cuivre (111) de sorte que le nickel et le cuivre se diffusent lorsqu'ils sont chauffés et produisent une nouvelle feuille monocristalline contenant les deux éléments à des rapports réglables. Ruoff a suggéré cette méthode et supervisé les évaluations de Ming Huang des meilleures concentrations de nickel pour obtenir des feuilles de graphène uniformes avec le nombre de couches souhaité.
Les chercheurs de l'IBS ont cultivé des feuilles de graphène à deux et trois couches sur des feuilles de Cu/Ni(111) par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Huang a réalisé des films de graphène bicouche empilés AB de plusieurs centimètres carrés, couvrant 95 pour cent de la surface du substrat, et du graphène tricouche empilé en ABA avec une couverture surfacique de plus de 60 pour cent. Cela représente la première croissance de graphène tricouche empilé ABA à couverture élevée sur une grande surface et la meilleure qualité obtenue jusqu'à présent pour le graphène bicouche empilé AB.
En plus des caractérisations spectroscopiques et microscopiques approfondies, les chercheurs ont également mesuré le transport électrique (mobilité des porteurs et accordabilité de la bande interdite) et la conductivité thermique du graphène nouvellement synthétisé. Les films de graphène bicouche à l'échelle centimétrique ont montré une bonne conductivité thermique, jusqu'à ~2300 W/mK (comparable à des flocons de graphène bicouche exfoliés), et les performances mécaniques (rigidité de 478 gigapascals pour le module de Young, et 3,31 gigapascals pour la résistance à la rupture).
L'équipe a ensuite étudié le mécanisme d'empilement de la croissance et a découvert qu'il suit la séquence dite du "gâteau de mariage inversé" car les couches inférieures sont positionnées après la couche supérieure. "Nous avons montré avec trois méthodes indépendantes que la deuxième couche pour le graphène bicouche, et les deuxième et troisième couches de la feuille tricouche se développent sous une couche supérieure continue. Ces méthodes peuvent également être utilisées pour étudier la structure et la séquence d'empilement d'autres matériaux à couche mince 2D, " note Huang.
Ruoff note que ces techniques de synthèse et de test de films ultraminces à grande échelle pourraient stimuler l'intérêt mondial pour de nouvelles expérimentations avec des feuilles d'alliage Cu/Ni monocristallines, et même en explorant la fabrication et l'utilisation d'autres feuilles d'alliage monocristallin.
