Chercheurs phares en graphène à l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle, Allemagne et ONERA-CNRS, La France, en collaboration avec des chercheurs de l'Institut Peter Grunberg, Allemagne, l'Université de Versailles, La France, et l'Université d'État du Kansas, NOUS, ont rapporté une avancée significative dans la croissance du nitrure de bore hexagonal monoisotopique à pression atmosphérique pour la production de cristaux de grande taille et de très haute qualité.

Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est le héros méconnu des appareils à base de graphène. De nombreux progrès au cours de la dernière décennie ont été rendus possibles par la réalisation que le « sandwichage » du graphène entre deux cristaux de hBN peut améliorer considérablement la qualité et les performances des dispositifs résultants. Cette découverte a ouvert la voie à une série de développements passionnants, y compris les découvertes d'effets exotiques tels que la supraconductivité à angle magique et les démonstrations de preuve de concept de capteurs d'une sensibilité inégalée.

Jusqu'à maintenant, les cristaux de hBN les plus utilisés provenaient de l'Institut national des sciences des matériaux de Tsukuba, Japon. Ces cristaux sont cultivés selon un procédé à hautes températures (plus de 1500°C) et des pressions extrêmement élevées (plus de 40, 000 fois la pression atmosphérique). "La contribution pionnière des chercheurs japonais Taniguchi et Watanabe à la recherche sur le graphène est inestimable, " commence Christoph Stampfer de Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University, Allemagne. "Ils fournissent gratuitement du hBN ultra-pur à des centaines de laboratoires dans le monde. Sans leur contribution, une grande partie de ce que nous faisons aujourd'hui ne serait pas possible."

Cependant, cette méthode de croissance hBN comporte certaines limitations. Parmi eux se trouve la petite taille des cristaux, qui est limité à quelques centaines de µm, et la complexité du processus de croissance. Cela convient à la recherche fondamentale, mais au-delà, une méthode avec une meilleure évolutivité est nécessaire. Maintenant, les chercheurs de Graphene Flagship ont testé des cristaux de hBN cultivés avec une nouvelle méthodologie qui fonctionne à la pression atmosphérique, développé par une équipe de chercheurs dirigée par James Edgar à la Kansas State University, NOUS. Cette nouvelle approche est très prometteuse pour une recherche et une production plus exigeantes.

"J'étais très excité quand Edgar a proposé que nous testions la qualité de son hBN, " dit Stampfer. " Sa méthode de croissance pourrait convenir à une production à grande échelle. " La méthode de croissance de hBN à pression atmosphérique est en effet beaucoup plus simple et moins chère que les alternatives précédentes et permet de contrôler la concentration isotopique.

"Les cristaux de hBN que nous avons reçus étaient les plus gros que j'aie jamais vus, et ils étaient tous basés soit sur du bore 10 isotopiquement pur, soit sur du bore-11", explique Jens Sonntag, un étudiant diplômé de Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University. Sonntag a d'abord testé la qualité des flocons en utilisant la spectroscopie confocale Raman. En outre, Graphène Partenaires phares de l'ONERA-CNRS, La France, dirigé par Annick Loiseau, effectué des mesures de luminescence avancées. Les deux mesures ont indiqué une pureté isotopique élevée et une qualité cristalline élevée.

Cependant, la preuve la plus solide de la haute qualité de l'hBN provient des mesures de transport effectuées sur des appareils contenant du graphène pris en sandwich entre l'hBN monoisotopique. Ils ont montré des performances équivalentes à un appareil de pointe basé sur hBN du Japon, avec de meilleures performances dans certains domaines.

"C'est une indication claire de la très haute qualité de ces cristaux hBN, " dit Stampfer. " C'est une excellente nouvelle pour toute la communauté du graphène, parce qu'il montre que c'est, en principe, possible de produire du hBN de haute qualité à grande échelle, nous rapprochant un peu plus des applications réelles basées sur l'électronique et l'optoélectronique de graphène haute performance. Par ailleurs, la possibilité de contrôler la concentration isotopique des cristaux ouvre la porte à des expériences qui n'étaient pas possibles auparavant."

Mar García-Hernández, Chef de lot de travaux pour les matériaux habilitants, ajoute :« Le graphène autoportant, étant le matériau le plus fin connu, présente une grande surface et, donc, est extrêmement sensible à son environnement, lequel, à son tour, entraîne une dégradation substantielle de ses propriétés exceptionnelles. Cependant, il existe une stratégie claire pour éviter ces effets délétères :encapsuler le graphène entre deux couches protectrices."

García-Hernández poursuit :« Lorsque le graphène est encapsulé par hBN, il révèle ses propriétés intrinsèques. Cela fait du hBN un matériau essentiel pour intégrer le graphène dans les technologies actuelles et démontre l'importance de concevoir de nouvelles voies synthétiques évolutives pour la production de hBN à grande échelle. Ce travail fournit non seulement une voie nouvelle et plus simple pour produire des cristaux hBN de haute qualité à grande échelle, mais il permet également la production de matériau monoisotopique, ce qui réduit encore la dégradation du graphène lorsqu'il est encapsulé par deux couches."

Andrea C. Ferrari, Responsable scientifique et technologique du Graphene Flagship et président de son comité de direction, ajoute :« C'est un bel exemple de collaboration entre l'UE et les États-Unis, que nous avons favorisé via de nombreux ateliers bilatéraux. La conception d'approches alternatives pour produire des cristaux de hBN de haute qualité est cruciale pour nous permettre d'exploiter les propriétés ultimes du graphène dans les applications optoélectroniques. Par ailleurs, ce travail conduira à des progrès significatifs en recherche fondamentale."