Deux configurations de bord de nanoruban. Le réseau rose d'atomes de carbone est un ruban avec des bords en zigzag (Z), et le jaune a des bords dits de fauteuil (A). Notez que bien que les nanorubans soient disponibles dans de nombreuses largeurs différentes, ceux de l'image sont par convention tous deux considérés comme ayant sept atomes de large. Crédit :Daria Sokol/Service de presse du MIPT
Des chercheurs russes ont proposé une nouvelle méthode pour synthétiser des nanorubans de graphène de haute qualité, un matériau susceptible d'avoir des applications dans l'électronique flexible, cellules solaires, LED, laser, et plus. Présenté dans Le Journal de Chimie Physique C , l'approche originale du dépôt chimique en phase vapeur, offre un rendement plus élevé à moindre coût, par rapport à l'auto-assemblage de nanoruban actuellement utilisé sur des substrats de métaux nobles.
L'électronique à base de silicium approche progressivement de ses limites, et on se demande quel matériau pourrait donner à nos appareils la prochaine grande impulsion. Graphène, le feuillet 2-D d'atomes de carbone, vient à l'esprit, mais pour toutes ses propriétés électroniques célèbres, il n'a pas ce qu'il faut :contrairement au silicium, le graphène n'a pas la capacité de basculer entre un état conducteur et un état non conducteur. Cette caractéristique déterminante des semi-conducteurs comme le silicium est cruciale pour créer des transistors, qui sous-tend toute l'électronique.
Cependant, une fois que vous avez coupé le graphène en rubans étroits, ils acquièrent des propriétés semi-conductrices, à condition que les bords aient la bonne géométrie et qu'il n'y ait pas de défauts structurels. De tels nanorubans ont déjà été utilisés dans des transistors expérimentaux avec des caractéristiques raisonnablement bonnes, et l'élasticité du matériau signifie que les dispositifs peuvent être rendus flexibles. Bien qu'il soit technologiquement difficile d'intégrer des matériaux 2D avec de l'électronique 3D, il n'y a pas de raisons fondamentales pour lesquelles les nanorubans ne pourraient pas remplacer le silicium.
Un moyen plus pratique d'obtenir des nanorubans de graphène n'est pas de découper des feuilles de graphène ou des nanotubes mais l'inverse, en faisant croître la matière atome par atome. Cette approche est connue sous le nom de synthèse ascendante, et contrairement à son homologue descendant, il donne structurellement parfait, et donc technologiquement utile, nanorubans. La méthode actuellement dominante pour la synthèse ascendante, connu sous le nom d'auto-assemblage, est coûteux et difficile à mettre à l'échelle pour la production industrielle, les scientifiques des matériaux recherchent donc des alternatives.
« Les nanorubans de graphène sont un matériau dont les propriétés intéressent la science fondamentale et sont prometteurs pour des applications dans toutes sortes de dispositifs futuristes. Cependant, la technique standard pour sa synthèse présente quelques inconvénients, " a expliqué Pavel Fedotov, chercheur senior au Laboratoire des Matériaux Nanocarbonés MIPT. "Maintenir l'ultravide et utiliser un substrat d'or est très coûteux, et la production de matériel est comparativement faible."
"Mes collègues et moi avons proposé une autre façon de synthétiser des nanorubans sans défaut sur le plan atomique. Non seulement cela fonctionne sous vide normal et avec le substrat de nickel beaucoup moins cher, le rendement augmente grâce à la réalisation des nanorubans sous forme de films multicouches, plutôt qu'individuellement. Pour séparer ces films en rubans monocouches, ils sont mis en suspension, " continua le chercheur. " Surtout, rien de tout cela ne compromet la qualité du matériau. Nous avons confirmé l'absence de défauts en obtenant les profils de diffusion Raman appropriés et en observant la photoluminescence de nos nanorubans."
Présentation d'une nouvelle méthode efficace pour la fabrication de nanoruban. Crédit :Daria Sokol/MIPT
Les nanorubans de graphène sont de différents types, et ceux que les scientifiques russes ont fabriqués en utilisant leur technique originale de dépôt chimique en phase vapeur ont la structure représentée à droite sur la figure. Ils ont sept atomes de large et ont des bords qui rappellent ceux d'un fauteuil, d'où le nom :nanorubans de graphène 7-A. Ce type de nanorubans possède des propriétés semi-conductrices précieuses pour l'électronique, contrairement à son cousin 7-Z avec des bords en zigzag (illustré à gauche), qui se comporte comme un métal.
La synthèse s'effectue dans un tube de verre hermétique évacué au millionième de la pression atmosphérique standard, qui fait toujours 10, 000 fois supérieur à l'ultravide normalement requis pour l'auto-assemblage des nanorubans. Le réactif initial utilisé est une substance solide contenant du carbone, hydrogène, et le brome et connu sous le nom de DBBA. Il est placé dans le tube avec une feuille de nickel, pré-recuit à 1, 000 degrés Celsius pour éliminer le film d'oxyde. Le tube de verre avec DBBA est ensuite soumis à un traitement thermique de plusieurs heures en deux temps :d'abord à 190 C, puis à 380 C. Le premier chauffage conduit à la formation de longues molécules de polymère, et au cours de la deuxième étape, ils se transforment en nanorubans avec une structure atomiquement précise, densément emballé dans des films qui sont jusqu'à 1, 000 nanomètres d'épaisseur.
Après avoir obtenu les films, les chercheurs les ont suspendus dans une solution et les ont exposés aux ultrasons, briser les "piles" multicouches en nanorubans de carbone d'un atome d'épaisseur. Les solvants utilisés étaient le chlorobenzène et le toluène. Des expériences antérieures ont montré que ces produits chimiques étaient optimaux pour suspendre les nanorubans de manière stable, prévenir la réagrégation en piles et l'apparition de défauts structurels. Le contrôle qualité des nanorubans a également été effectué en suspension, via des méthodes optiques :L'analyse des données de diffusion Raman et de photoluminescence a confirmé que le matériau ne présentait pas de défauts significatifs.
Parce que la nouvelle technologie de synthèse pour la fabrication de nanorubans de carbone multicouches 7-A sans défaut est relativement bon marché et facile à mettre à l'échelle, c'est une étape importante vers l'introduction de ce matériau dans la production à grande échelle de dispositifs électroniques et optiques qui finiraient par surpasser largement ceux qui existent aujourd'hui.
"L'expérience montre qu'une fois qu'un nouveau matériau carboné est découvert, cela signifie de nouvelles propriétés et de nouvelles applications. Et les nanorubans de graphène n'étaient pas différents, " le responsable du Laboratoire des Matériaux Nanocarbonés MIPT, Elena Obraztsova a rappelé. "Initialement, des nanorubans ont été synthétisés à l'intérieur de nanotubes de carbone monoparoi, qui a servi à contraindre la largeur du ruban. C'est sur ces nanorubans incrustés que la luminescence a été initialement démontrée, avec ses paramètres variant avec la géométrie des nanotubes."
« Notre nouvelle approche, le dépôt chimique en phase vapeur de bas en haut, permet de produire des rubans de graphène ultra-étroits en grandes quantités et dans des conditions assez douces :vide modéré, substrat de nickel. Le matériau résultant présente une photoluminescence excitonique brillante. Il est prometteur pour de nombreuses applications en optique non linéaire, que nous allons poursuivre, ", a ajouté le chercheur.
