Une nouvelle façon de fabriquer de grandes feuilles de haute qualité, le graphène atomiquement mince pourrait conduire à un ultra-léger, cellules solaires flexibles, et à de nouvelles classes de dispositifs électroluminescents et d'autres appareils électroniques à couche mince.

Le nouveau procédé de fabrication, qui a été développé au MIT et devrait être relativement facile à étendre pour la production industrielle, implique une couche intermédiaire "tampon" de matériau qui est la clé du succès de la technique. Le tampon permet la feuille de graphène ultrafine, moins d'un nanomètre (milliardième de mètre) d'épaisseur, être facilement décollé de son substrat, permettant une fabrication rouleau à rouleau rapide.

Le processus est détaillé dans un article publié hier dans Matériaux fonctionnels avancés , par les post-doctorants du MIT Giovanni Azzellino et Mahdi Tavakoli; professeurs Jing Kong, Tomas Palacios, et Markus Buehler; et cinq autres au MIT.

Trouver un moyen de maigrir, grande surface, les électrodes transparentes et stables à l'air libre ont été une quête majeure de l'électronique à couches minces ces dernières années, pour une variété d'applications dans les dispositifs optoélectroniques - des choses qui émettent de la lumière, comme les écrans d'ordinateurs et de smartphones, ou le récolter, comme les cellules solaires. La norme actuelle pour de telles applications est l'oxyde d'indium et d'étain (ITO), un matériau à base d'éléments chimiques rares et coûteux.

De nombreux groupes de recherche ont travaillé à trouver un remplaçant pour l'ITO, en se concentrant sur les matériaux candidats organiques et inorganiques. Graphène, une forme de carbone pur dont les atomes sont disposés en un réseau hexagonal plat, possède de très bonnes propriétés électriques et mécaniques, pourtant il est d'une maigreur évanescente, flexible physiquement, et fait d'une abondante, matériel pas cher. Par ailleurs, il peut être facilement cultivé sous forme de grandes feuilles par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), en utilisant du cuivre comme couche de germination, comme le groupe de Kong l'a démontré. Cependant, pour les applications d'appareils, la partie la plus délicate a été de trouver des moyens de libérer le graphène cultivé par CVD de son substrat de cuivre natif.

Cette sortie, connu sous le nom de processus de transfert de graphène, a tendance à former une toile de larmes, les rides, et les défauts des tôles, ce qui perturbe la continuité du film et réduit donc drastiquement leur conductivité électrique. Mais avec la nouvelle technologie, Azzellino dit, « nous sommes désormais en mesure de fabriquer de manière fiable des feuilles de graphène de grande surface, les transférer sur n'importe quel substrat que nous voulons, et la façon dont nous les transférons n'affecte pas les propriétés électriques et mécaniques du graphène vierge."

La clé est la couche tampon, fait d'un matériau polymère appelé parylène, qui se conforme au niveau atomique aux feuillets de graphène sur lesquels il est déployé. Comme le graphène, le parylène est produit par CVD, ce qui simplifie le processus de fabrication et l'évolutivité.

Comme démonstration de cette technologie, l'équipe a fabriqué des cellules solaires de preuve de concept, adopter un matériau de cellule solaire polymère à couche mince, ainsi que la couche de graphène nouvellement formée pour l'une des deux électrodes de la cellule, et une couche de parylène qui sert également de substrat de dispositif. Ils ont mesuré une transmittance optique proche de 90 pour cent pour le film de graphène sous lumière visible.

Le prototype de cellule solaire à base de graphène améliore d'environ 36 fois la puissance délivrée par poids, par rapport aux appareils de pointe basés sur ITO. Il utilise également 1/200 de la quantité de matériau par unité de surface pour l'électrode transparente. Et, il y a un autre avantage fondamental par rapport à ITO :« Le graphène est presque gratuit, " dit Azzellino.

« Les appareils ultra-légers à base de graphène peuvent ouvrir la voie à une nouvelle génération d'applications, " dit-il. " Donc, si vous pensez aux appareils portables, la puissance par poids devient une figure de mérite très importante. Et si nous pouvions déployer une cellule solaire transparente sur votre tablette capable d'alimenter la tablette elle-même ?" Bien que des développements supplémentaires soient nécessaires, de telles applications devraient à terme être réalisables avec cette nouvelle méthode, il dit.

Le matériau tampon, parylène, est largement utilisé dans l'industrie de la microélectronique, généralement pour encapsuler et protéger les appareils électroniques. Ainsi, les chaînes d'approvisionnement et les équipements d'utilisation du matériau sont déjà répandus, dit Azzellino. Des trois types existants de parylène, les tests de l'équipe ont montré que l'un d'eux, qui contient plus d'atomes de chlore, était de loin le plus efficace pour cette application.

La proximité atomique du parylène riche en chlore avec le graphène sous-jacent lorsque les couches sont prises en sandwich offre un avantage supplémentaire, en proposant une sorte de « dopage » pour le graphène, enfin fournir une approche plus fiable et non destructive pour l'amélioration de la conductivité du graphène à grande surface, contrairement à beaucoup d'autres qui ont été testés et rapportés jusqu'à présent.

« Les films de graphène et de parylène sont toujours face à face, " dit Azzellino. " Donc en gros, l'action de dopage est toujours là, et donc l'avantage est permanent."

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.