Exfoliation par couche LEE de graphène monocouche de taille millimétrique. (A) Illustration schématique de notre technique d'exfoliation au graphène de grande surface par couches. L'encart montre l'évolution du nombre de couches de graphène exfolié en fonction de l'énergie de liaison relative entre le graphite et un film de stress métallique. (B et C) Images OM à faible et fort grossissement de graphène monocouche millimétrique obtenu par la méthode LEE. (D et E) Images OM et AFM de la surface de graphite naturel clivée. L'encart est une trace unique de l'image AFM montrant la rugosité du LEE-graphène, où la valeur quadratique moyenne est d'environ 3,5 . (F à H) Histogrammes de la taille et de la densité du graphène monocouche obtenus par les méthodes standard d'exfoliation et LEE pour 25 échantillons chacun. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc6601
Procédés de fabrication à grande échelle visant à produire des matériaux bidimensionnels (2DM) pour les applications industrielles reposent sur une compétition entre qualité et productivité. La méthode de clivage mécanique descendante permet des 2DM purs et parfaits, mais ils sont une option faible pour la fabrication à grande échelle. Dans un nouveau rapport en Avancées scientifiques , Ji-Yun Moon et une équipe de recherche en systèmes énergétiques, la science des matériaux, physique et nanoarchitectonique au Royaume-Uni, Le Japon et la Corée ont présenté une technique d'exfoliation par couches pour obtenir du graphène à grande échelle jusqu'à un millimètre avec un contrôle sélectif de l'épaisseur. En utilisant la spectroscopie détaillée et l'analyse de mesure du transport d'électrons, l'équipe a soutenu le mécanisme d'effritement (fragmentation) proposé. La méthode d'exfoliation par couches ouvrira la voie au développement d'un procédé industriel pour le graphène et d'autres 2DMs, pour des applications en électronique et en optoélectronique.
Nouvelles méthodes pour obtenir du graphène monocouche
Les scientifiques des matériaux ont d'abord réussi à séparer le graphène monocouche du graphite tridimensionnel (3D) en utilisant une exfoliation mécanique descendante. Le graphène est un matériau unique en raison de sa composition physique et chimique qui a attiré une grande attention pour diverses applications en électronique, optoélectronique et autres domaines. Dans ce travail, Lune et al. a introduit une nouvelle technique connue sous le nom d'exfoliation par couches (LEE) pour obtenir du graphène sur une grande surface tout en contrôlant le nombre sélectif de couches de graphène dans la configuration. Pour y parvenir, ils ont déposé une fine couche d'or (Au) sur du graphite pré-clivé pour décoller sélectivement la monocouche supérieure de graphène. Ils ont ensuite ajusté la ténacité interfaciale du graphène en déposant différents films métalliques dont du palladium (Pd), nickel (Ni) et cobalt (Co) pour obtenir du graphène de grande surface avec un nombre contrôlé de couches. Le graphène exfolié mécaniquement est limité par sa taille, contrôle du rendement et de l'épaisseur, ce qui n'est pas adapté aux applications industrielles à l'heure actuelle. Les chercheurs avaient auparavant envisagé le dépôt en phase vapeur, mais les résultats n'étaient pas exceptionnels. Si une nouvelle technique peut surpasser les méthodes conventionnelles d'exfoliation, les chercheurs auront un approche synthétique alternative pour préparer le graphène.
Contrôle de la profondeur d'écaillage en ajustant la ténacité interfaciale. (A à C) images OM à faible grossissement et (D à F) à fort grossissement de graphène millimétrique en couches préparées à l'aide de Pd, Non, et Cie, respectivement, sur des substrats SiO2/Si 300 nm. (G) Profils de ligne AFM correspondant aux lignes pointillées blanches de (D) à (F). (H) Spectres Raman de graphène multicouche obtenu à l'aide de Pd, Non, and Co. a.u., unités arbitraires. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc6601 
Les scientifiques ont utilisé des études de spectroscopie et de transport d'électrons pour confirmer l'absence de défauts intrinsèques ou de contamination chimique dans les échantillons développés par la méthode LEE. La méthode d'exfoliation est une approche prometteuse pour construire des hétérostructures 2-D de grande surface pour la commercialisation. Au cours du processus d'exfoliation des flocons de graphite, l'équipe a plié la surface à l'aide d'un facteur de stress externe pour créer une fissure aux limites du domaine, qui s'est propagé le long de l'interface métal-graphène pour provoquer une exfoliation de grande surface en raison de la tension résiduelle. Par exemple, lorsque l'équipe a utilisé un film d'or (Au) comme facteur de stress, l'énergie de flexion entre Au-graphène et graphène-graphène a permis la séparation d'une monocouche sans défauts physiques. Lune et al. analysé quantitativement la taille et la densité du graphène monocouche exfolié pour vérifier la fiabilité de la technique. Les résultats ont montré une zone moyenne qui a atteint un 4, Augmentation de 200 fois par rapport au graphène exfolié via des méthodes conventionnelles. La méthode LEE a également montré de meilleurs résultats par rapport à l'exfoliation mécanique standard par rapport à la densité de la monocouche. La méthode était reproductible et donc fiable pour exfolier le graphène monocouche dans une approche contrôlée en laboratoire.
Caractérisation du graphène monocouche obtenu par LEE. (A) Spectres Raman de LEE-graphène sous excitation de 532 nm. (B et C) Γ2D versus ΓG et ω2D versus ωG enregistrés sur trois échantillons différents :préparés par Au-LEE (cercles rouges), gommage standard (cercles bleus), et encapsulation hBN (cercles oranges). (D) Rugosité de surface du graphène monocouche obtenue par LEE et exfoliation standard numérisée sur 9 m2. Les encarts montrent les images AFM 3D correspondantes. Écaille marron à jaune, 0 à 5 nm. (E) Modèles de spectroscopie de photoémission aux rayons X (XPS) (C 1s) obtenus à partir de LEE-graphène. RMS, rugosité quadratique moyenne. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc6601
Caractérisation du graphène LEE
Lune et al. effectué des mesures de spectroscopie Raman sur LEE-graphène pour soutenir leur mécanisme de fragmentation proposé, qui était sensible à l'effritement (fragmentation) induit par le stress du graphène. Les résultats ont précisé comment la contrainte de traction a été libérée au cours du processus LEE lorsque le graphène a été soulevé pour récupérer la propriété vierge du graphène normalement exfolié. En utilisant des études supplémentaires de spectroscopie et de microscopie, l'équipe a confirmé la qualité du LEE-graphene. Par exemple, les mesures de microscopie à force atomique (AFM) n'ont montré aucun défaut physique notable sur la surface du graphène, comme des fissures, plis ou déchirures. Par conséquent, ils ont reconnu que le film métallique protégeait efficacement la surface du graphène des résidus organiques pendant le processus LEE.
Caractéristiques de transport du LEE-graphène encapsulé par hBN. (A) Résistivité longitudinale en fonction de la tension de la grille arrière à 2 K (le CNP est à 1,5 V). L'encart de gauche montre une micrographie optique de l'appareil avec un schéma de câblage pour les mesures de courant et de tension. Barre d'échelle, 5 µm. (B) Dépendance de la densité de la conductivité longitudinale sur une échelle logarithmique à 2 K. La valeur de n* extraite de notre dispositif au graphène est d'environ 1010 cm-2. (C) Mobilité des électrons en fonction de la densité de porteurs à 2 K (ligne rouge) et 300 K (ligne bleue). La mobilité est d'environ 20, 000 cm2V−1 s−1 à 300 K. (D) Carte de la résistivité longitudinale en fonction du champ magnétique appliqué et de la densité de porteurs à 2 K. Les niveaux de Landau bien développés indiquent que le dispositif au graphène est de haute qualité ( les lignes pointillées noires indiquent des facteurs de remplissage de -1, -2, -4, et −6). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc6601
Propriétés de transport d'électrons dans le LEE-graphene
Les scientifiques ont recoupé la qualité du LEE-graphène comme en témoignent les résultats de spectroscopie et de microscopie en effectuant des mesures de transport d'électrons sur le dispositif de graphène monocouche. Ils y sont parvenus en encapsulant du graphène entre des cristaux de nitrure de bore hexagonal (hBN) sans défaut. Le hBN a fourni une surface plane et propre pour le graphène et a protégé le matériau contre la contamination après exfoliation. La valeur de fluctuation potentielle du dispositif au graphène était similaire à celle d'un dispositif au graphène correctement exfolié dans des travaux antérieurs, démontrant la précision du dispositif développé dans ce travail. L'équipe a calculé la mobilité électronique (µ) de l'appareil à 300 K, qui a dépassé la magnitude rapportée pour un dispositif au graphène dans des travaux antérieurs, tout en correspondant à la mobilité d'un dispositif au graphène développé par la méthode d'exfoliation standard ailleurs. Les travaux ont donc montré que la technique LEE ne dégradait pas la qualité du graphène.
De cette façon, Ji-Yun Moon et ses collègues ont utilisé et examiné l'approche LEE (exfoliation par couche) pour obtenir du graphène à haute densité avec une surface extraordinairement grande à partir de graphite naturel. Pour y parvenir, ils ont utilisé différentes techniques de dépôt de métal pour contrôler la profondeur de fragmentation et produire du graphène par couches à grande échelle. La nouvelle méthode s'écartait de la méthode standard d'exfoliation, qui n'autorisait qu'un seul processus de pelage. Les scientifiques ont obtenu le graphène de grande surface à partir du même flocon de graphite en répétant le processus de dépôt et de déchirure du film métallique. Le travail a montré comment le graphène par couches peut être exfolié sur une grande surface, ouvrant la voie à la fabrication à grande échelle pour les futures applications industrielles des hétérostructures 2D.
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