Figure illustrant l'évolution structurelle des NTC avant et après le traitement haute pression et thermique, où les CNT vierges sont écrasés dans les GNR après le traitement par pression/thermique. Diagramme schématique de l'écrasement d'un SWCNT et d'un DWCNT (à gauche) en GNR à double couche et à quatre couches à bords fermés (à droite) via un traitement haute pression (P) et thermique. Crédits :Changxin Chen, et al. Électronique naturelle, 2021, 4 (9) :653-663)
Les nanorubans de graphène (GNR) sont des bandes étroites et longues de graphène d'une largeur inférieure à 100 nm. GNR qui ont des bords lisses, une bande interdite importante et une mobilité élevée des porteurs de charge pourraient être très utiles pour un large éventail d'applications électroniques et optoélectroniques. Jusque là, cependant, les ingénieurs n'ont pas encore introduit de méthode pour préparer ces composants utiles à grande échelle.
Chercheurs de l'Université Jiao Tong de Shanghai, Université de Stanford, et d'autres instituts aux États-Unis et en Chine, ont récemment conçu une nouvelle stratégie pour créer des GNR avec des bords lisses d'une largeur inférieure à 10 nm. Cette méthode, présenté dans un article publié dans Nature Électronique , repose sur l'utilisation de nanotubes de carbone écrasés (CNT), tubes en carbone qui ont généralement des diamètres à l'échelle nanométrique.
"L'idée derrière notre travail est que si les nanotubes de carbone (CNT) peuvent être écrasés dans les GNR, nous serions capables de produire des GNR étroits (inférieurs à 5 nm de large) à partir de NTC de petits diamètres, " Prof. Changxin Chen et Wendy L. Mao, deux des chercheurs qui ont mené l'étude, Raconté Phys.org . "De plus, les GNR préparés à l'aide de cette méthode seront beaucoup plus étroits que ceux obtenus par les méthodes précédentes."
L'étude récente du professeur Chen, Mao, Le professeur Hongjie Dai et leurs collègues étaient un effort conjoint entre leurs groupes de recherche respectifs à l'Université Jiao Tong de Shanghai et à l'Université de Stanford, avec des apports supplémentaires d'autres institutions. Une équipe dirigée par les professeurs Chen et Dai a principalement développé la méthode et les procédés du traitement haute pression/thermique pour écraser les NTC en GNR, ainsi que sur la collecte des caractérisations des GNR préparés, calculs et mesures des performances de l'appareil. Le groupe de recherche du professeur Wendy Mao a mené les expériences de cellules à enclume de diamant à haute pression (DAC) à travers lesquelles les NTC ont été écrasés.
Un autre objectif de cette récente collaboration était d'obtenir des bords atomiquement lisses dans l'ensemble des GNR, en formant des GNR à bords fermés qui présentaient une grande mobilité des matériaux et des appareils. Pour produire leurs GNR de moins de 10 nm de large et longs avec des bords fermés atomiquement lisses, les chercheurs ont écrasé les NTC ensemble en utilisant la méthode de traitement à haute pression et thermique conçue par Chen et son équipe.
"Nous avons utilisé un DAC pour le traitement haute pression des NTC, " Chen et Mao ont expliqué. " Les échantillons de CNT ont été scellés dans une chambre d'échantillon dans le DAC puis ont été comprimés entre les pointes de deux enclumes de diamant. Pour stabiliser la structure de l'échantillon écrasé, nous avons effectué un traitement thermique sur l'échantillon alors qu'il était à haute pression."
Les GNR créés par Chen, Mao, Dai et leurs collègues ont atomiquement lisse, bords fermés et très peu de défauts. En utilisant la méthode qu'ils ont conçue, l'équipe a même pu produire des GNR inférieurs à 5 nm avec une largeur minimale de 1,4 nm. Remarquablement, ils ont découvert qu'un transistor à effet de champ (FET) basé sur un GNR à bords fermés de 2,8 nm de large présentait une haute je
"Notre recherche prouve que des nanorubans semi-conducteurs de graphène de moins de 10 nm de large avec des bords fermés atomiquement lisses peuvent être produits en écrasant des nanotubes de carbone à l'aide d'un traitement combiné haute pression et thermique, " Chen et Mao ont dit. " Avec cette approche, des nanorubans aussi étroits que 1,4 nm peuvent être créés. Les nanorubans à bords ouverts ont également été fabriqués en utilisant de l'acide nitrique comme oxydant pour graver sélectivement les bords des nanotubes écrasés sous haute pression."
L'étude pourrait avoir des implications importantes pour le développement de nouveaux dispositifs électroniques et optoélectroniques. À l'avenir, la méthode imaginée par Chen, Mao, Dai et leurs collègues pourraient être utilisés pour produire de haute qualité, étroit, et de longs GNR semi-conducteurs.
En outre, leur stratégie de fabrication permet aux ingénieurs de contrôler les types de bords d'un GNR. Cela pourrait aider à explorer plus avant les propriétés fondamentales et les applications pratiques des GNR en électronique et en optoélectronique. Finalement, la méthode développée par Chen, Mao, Dai et leurs collègues pourraient également être adaptés pour synthétiser également d'autres nanorubans à base de matériaux souhaitables à l'aide de nanotubes écrasés ou pour aplatir d'autres matériaux fullerènes.
« Maintenant que nous avons démontré le potentiel de notre approche, we are investigating ways to make the synthesis conditions more practical and ways to scale up the synthesis of GNRs (e.g., decreasing the pressure needed for squashing CNTs by regulating the temperature of the sample in the high-pressure treatment or introducing additional deviatoric-stress component in the pressure), " Chen and Mao added. "In our next studies, we also plan to explore more unique characteristics of the edge-closed GNRs we created."
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