L'industrie électronique pourrait sembler très différente aujourd'hui sans la baisse spectaculaire du coût des plaquettes de silicium monocristallin de haute qualité au cours des cinq dernières décennies. Alors, que se passerait-il si le coût du graphène monocristallin plongeait de la même manière ? Résultats rapportés dans ACS Nano peut rapprocher cela de la réalité, car ils montrent que le graphène monocristallin peut croître en une fraction du temps habituel et en utilisant des substrats polycristallins beaucoup moins chers que ceux habituellement nécessaires.

Les coûts de production du graphène ont déjà considérablement baissé au cours des 20 dernières années, passant de centaines de milliers de dollars le kilogramme à moins de 50 $. Cependant, l'exploitation des propriétés électroniques du matériau impose des exigences beaucoup plus élevées sur la qualité du cristal - joints de grains, les défauts et les dislocations perturbent tous le comportement électronique du matériau, de sorte que le prix du graphène de qualité électronique reste élevé.

Le dépôt chimique en phase vapeur est l'une des approches les plus populaires pour faire pousser du graphène de bonne qualité, mais les défauts sont inévitables. Bricoler les paramètres pendant la croissance afin qu'aucun site de nucléation supplémentaire ne puisse favoriser la croissance du graphène monocristallin, finalement. Cependant, la longue période de temps que prend cette croissance la rend coûteuse. D'autres approches incluent la croissance sur un substrat catalytique monocristallin, mais ces substrats sont plus chers, à nouveau augmenter le coût.

Au lieu, Dongmok Whang de l'Institut avancé de nanotechnologie de l'Université Sungkyunkwan et Jae-Hyun Lee de l'Université d'Ajou et leurs collègues ont pris du graphène monocristallin et en ont transféré des morceaux espacés sur un substrat polycristallin. Ils montrent dans leur rapport que la croissance ultérieure des morceaux sur les métaux polycristallins leur permet de se rejoindre. Parce qu'ils ont tous été transférés à partir du même échantillon, le réseau cristallin de chaque pièce est orienté dans le même sens, ne laissant aucune limite de grain. « Si la température de synthèse, gaz utilisé, etc. sont supposés être similaires, on peut dire que le budget thermique et le prix du substrat sont réduits au quart, " explique Lee.

Croissance continue

Lee explique qu'ils ont eu l'idée après qu'une étude préliminaire de la littérature ait mis en évidence que l'énergie nécessaire pour faire croître le graphène à partir du bord de la graine de graphène est théoriquement inférieure à l'énergie nécessaire pour la nucléation de nouvelles graines de graphène. "En d'autres termes, on pensait qu'une nucléation supplémentaire pouvait être facilement supprimée dans des conditions d'énergie inférieure (par exemple, faible concentration de précurseur ou faible température de croissance)."

Whang et Lee et leurs collègues avaient également une longueur d'avance pour faire fonctionner le processus. Leur processus de croissance ensemencée repose sur l'accès au graphène monocouche monocristallin de grande surface, qu'ils étaient bien habitués à cultiver. En outre, ils avaient besoin d'une technique capable de transférer proprement les graines alignées vers des positions soigneusement espacées et alignées sur le substrat polycristallin. Heureusement, ils avaient également précédemment démontré que lors de la croissance du graphène sur une facette particulière du germanium monocristallin - Ge(110) - une couche d'hydrogène formée à l'interface entre le graphène et le substrat, facilitant le transfert.

Même avec transfert de Ge(110), les défauts s'insinuent inévitablement, mais les chercheurs ont également pu montrer qu'en réduisant le méthane pendant une période de croissance, le taux de gravure pourrait dépasser le taux de croissance de sorte que les défauts existants pourraient être gravés.

Graphène de qualité électronique

Pour déterminer la taille et l'espacement des graines qui fonctionneraient le mieux, Whang et Lee et ses collègues ont calculé la longueur de diffusion pour les températures et les concentrations de précurseur utilisées. Ils ont coupé des "graines" de 10 m de large dans leur échantillon de graphène monocristallin original et les ont transférés sur du platine polycristallin espacés de 50 μm. Ici, ils ont fait pousser du graphène monocristallin pour couvrir une superficie de 2 cm x 2 cm. " dit Lee. " Mais nous pensons que notre approche peut être pleinement appliquée à un grand substrat de catalyseur. "

Non seulement le platine polycristallin est beaucoup moins cher, mais ils pourraient recycler le substrat sans endommager la qualité du graphène monocristallin résultant, de sorte qu'il revient à environ 100 dollars le cm. ² de substrat au lieu de 2000 $. Ils s'attendent à ce que s'ils peuvent faire pousser les graines transférées sur du cuivre polycristallin ou du papier d'aluminium, ils pourront encore réduire les coûts.

Les chercheurs ont testé les propriétés électroniques du graphène cultivé à partir de graines transférées en construisant des dispositifs à transistors à effet de champ qui chevauchaient les sites de deux graines transférées. Les comparaisons de la mobilité des électrons n'ont montré aucune baisse appréciable de la mobilité là où les graines transférées se sont jointes, donnant 11, 811 Vcm ^-1 s ^-1 pour le grain gauche, dix, 844 pour le droit et 11, 063 Vcm ^-1 s ^-1 entre eux.

D'autres matériaux 2D ?

Les chercheurs ont testé l'idée avec le graphène car son comportement de croissance est bien compris, et en particulier, il n'est composé que d'un seul type d'atome, carbone, ce qui simplifie le processus. Ils souhaitent appliquer l'approche aux matériaux 2D, mais il faudrait examiner comment ils gèrent les différents précurseurs des matériaux 2-D non-élémentaires.

« Il y a de nombreuses variables à prendre en compte en raison des différentes vitesses de solubilité et de diffusion de chaque élément dans le catalyseur, " dit Lee. " Cependant, si nous utilisons un procédé qui fait réagir séquentiellement un précurseur et un autre précurseur, tel qu'un procédé de dépôt de couche atomique (ALD), qui peut simplifier les paramètres de processus, il pourrait être possible de faire croître une monocouche monocristalline de divers matériaux 2-D. »

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