L'ajout de calcium à une structure composite graphène-substrat crée un supraconducteur à haute température de transition (Tc).

Dans une nouvelle étude, une équipe dirigée par l'Australie a pour la première fois confirmé ce qui arrive réellement à ces atomes de calcium :surprenant tout le monde, le calcium passe sous la feuille de graphène supérieure et une feuille tampon inférieure, flottant le graphène sur un lit d'atomes de calcium.

Le graphène supraconducteur injecté de calcium est très prometteur pour l'électronique à haut rendement énergétique et l'électronique transparente.

Étudier le graphène dopé au calcium :jeter la couette

Les propriétés du graphène peuvent être affinées par injection d'un autre matériau (un processus connu sous le nom d'intercalation) soit sous le graphène, ou entre deux feuilles de graphène.

Cette injection d'atomes ou de molécules étrangères altère les propriétés électroniques du graphène soit en augmentant sa conductance, diminution des interactions avec le substrat, ou les deux.

L'injection de calcium dans le graphite crée un matériau composite (graphite intercalé de calcium, CaC 6 ) avec une température de transition supraconductrice relativement élevée (T c ). Dans ce cas, les atomes de calcium résident finalement entre les feuilles de graphène.

L'injection de calcium dans le graphène sur un substrat de carbure de silicium crée également un T élevé c supraconducteur, et nous avons toujours pensé que nous savions où allait le calcium dans ce cas aussi…

Le graphène sur carbure de silicium a deux couches d'atomes de carbone :une couche de graphène au-dessus d'une autre couche tampon :une couche de carbone (structure semblable au graphène) qui se forme entre le graphène et le substrat de carbure de silicium pendant la synthèse, et est non conducteur du fait qu'il est partiellement lié à la surface du substrat.

"Imaginez que le carbure de silicium soit comme un matelas avec un drap-housse (la couche tampon qui y est collée) et un drap plat (le graphène), " explique l'auteur principal Jimmy Kotsakidis.

La sagesse conventionnelle a soutenu que le calcium devrait injecter entre les deux couches de carbone (entre deux feuilles), similaire à l'injection entre les couches de graphène dans le graphite. Étonnamment, l'équipe dirigée par l'Université Monash a découvert que lorsqu'elle est injectée, l'emplacement de destination finale des atomes de calcium se situe plutôt entre la couche tampon et le substrat en carbure de silicium sous-jacent (entre le drap-housse et le matelas !).

"Ce fut une surprise pour nous lorsque nous avons réalisé que le calcium se liait à la surface de silicium du substrat, cela allait vraiment à l'encontre de ce que nous pensions arriver, " explique Kotsakidis.

Lors de l'injection, le calcium rompt les liaisons entre la couche tampon et la surface du substrat, Donc, faire « flotter » la couche tampon au-dessus du substrat, créer un nouveau, structure de graphène bicouche quasi-autoportante (Ca-QFSBLG).

Ce résultat était inattendu, avec des études antérieures approfondies ne tenant pas compte de l'intercalation du calcium sous la couche tampon. L'étude résout ainsi la confusion et la controverse de longue date concernant la position du calcium intercalé.

Les mesures de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) au synchrotron australien ont permis de localiser le calcium près de la surface du carbure de silicium

Les résultats ont également été étayés par la diffraction des électrons à basse énergie (LEED), et mesures de microscopie à effet tunnel (STM), et en modélisant à l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).

Et le magnésium aussi…

Avec ces informations à portée de main, l'équipe australienne a également décidé de rechercher si le magnésium - qui est notoirement difficile à injecter dans la structure du graphite - pourrait être inséré (intercalé) dans du graphène sur un substrat de carbure de silicium.

A la surprise des chercheurs, le magnésium s'est comporté de manière remarquablement similaire au calcium, et également injecté entre le graphène et le substrat, flottant à nouveau le graphène.

Le graphène de type n intercalé au magnésium et au calcium a dopé le graphène, et a abouti à un graphène à faible fonction de travail, un aspect attrayant lors de l'utilisation du graphène comme contact électrique conducteur pour d'autres matériaux.

Mais contrairement au calcium, le graphène intercalé au magnésium est resté stable dans l'atmosphère ambiante pendant au moins six heures, surmonter un obstacle technique majeur pour le graphène intercalé alcalin et alcalino-terreux.

"Le fait que le Mg-QFSBLG soit un matériau à faible fonction de travail et que le type n dope le graphène tout en restant assez stable dans l'atmosphère ambiante est un grand pas dans la bonne direction pour mettre en œuvre ces nouveaux matériaux intercalés dans des applications technologiques, " explique le co-auteur, le professeur Michael Fuhrer.

"Le graphène intercalé au magnésium pourrait être un tremplin vers la découverte d'autres intercalants stables de la même manière."

Le papier, "Graphène autoportant dopé n via l'intercalation de calcium et de magnésium dans l'interface couche tampon-SiC (0001), " a été publié dans Chimie des Matériaux en juillet 2020.