Le diamant et le graphite sont deux allotropes de carbone naturels que nous connaissons depuis des milliers d'années. Ce sont des carbones élémentaires qui sont disposés de manière à être constitués de sp ³ et sp ² atomes de carbone hybrides, respectivement. Plus récemment, la découverte de divers autres matériaux allotropes au carbone, tels que le graphène, le fullerène, le nanotube de carbone, le graphyne et le graphdiyne, a révolutionné la science moderne des nanomatériaux. En particulier, la recherche sur le graphène a fait des progrès significatifs dans la chimie et la physique modernes en raison de ses propriétés fascinantes.

Le graphène a été présenté comme un matériau miracle qui peut potentiellement révolutionner l'industrie des semi-conducteurs, en raison de ses propriétés exceptionnelles de mobilité des électrons. Malgré le battage médiatique, il semble que notre civilisation soit encore loin de passer de l'âge du silicium à l'âge du graphène. Le principal défi de l'utilisation du graphène en électronique est la structure électronique à bande interdite nulle du graphène. Cela rend impossible la désactivation des transistors à base de graphène, ce qui limite leur application dans l'industrie des semi-conducteurs. S'il est possible de surmonter cette limitation en dopant ou en fonctionnalisant le graphène, la recherche de nouveaux types d'allotropes de carbone 2D présentant des propriétés semi-conductrices exceptionnelles, telles qu'une bande interdite d'énergie appropriée et une mobilité élevée, suscite également un grand intérêt.

Récemment, des chercheurs ont découvert qu'il était possible de doter un semi-conducteur de nombreuses caractéristiques propres au graphène ou aux oxydes de graphène en créant de nombreux trous dans sa structure. Ce nouveau type de matériau est appelé « graphène troué ». Comparé au graphène, au γ-graphyne ou au graphdiyne, le graphène troué possède non seulement les propriétés semi-conductrices 2D idéales, mais également une liaison sp non linéaire et une structure π-conjuguée spéciale, qui offre des applications prometteuses en optoélectronique, récupération d'énergie, séparation de gaz, catalyse, l'assainissement de l'eau, les capteurs et les domaines liés à l'énergie.

Jusqu'à présent, le graphène troué a été produit en laboratoire en synthétisant d'abord du graphène, puis en soumettant le graphène à un traitement physique, chimique ou hydrothermique pour percer de nombreux trous dans la structure. Cependant, une telle approche descendante de la production a ses limites car la taille et la répartition des "trous" sont inégales et difficiles à contrôler.

Dirigés par le directeur associé Lee Hyoyoung, des chercheurs du Centre de physique des nanostructures intégrées (CINAP) de l'Institut des sciences fondamentales de Corée du Sud ont développé une approche ascendante pour créer un tel matériau. Pour la première fois, le groupe a mis au point une méthode pour construire topologiquement un matériau carboné 2D atome par atome.

Ce nouveau matériau bidimensionnel monocristallin a été surnommé "holey-graphyne" (HGY) par le groupe. HGY se compose de liaisons alternées entre les anneaux benzéniques et les liaisons C≡C, composées d'un motif d'anneaux à six sommets et à huit sommets fortement tendus et d'un pourcentage égal de sp ² et sp atomes de carbone hybrides.

"Nous avons été inspirés par une molécule intrigante, la dibenzocyclooctadiyne, qui a été synthétisée pour la première fois par Sondheimer et ses collègues en 1974. Dans la dibenzocyclooctadiyne, deux cycles benzéniques aromatiques sont reliés par deux liaisons acétyléniques courbées, ce qui donne un cycle à huit chaînons fortement tendu. molécule passionnante nous a inspirés pour concevoir et synthétiser le nouvel allotrope de carbone, version du matériau, à savoir la holey-graphyne », a déclaré le directeur associé Lee.

Le groupe de recherche a produit avec succès le HGY monocristallin ultra-mince en utilisant du 1,3,5-tribromo-2,4,6-triéthynylbenzène comme matériau de base. Le HGY mince à une seule couche atomique a ensuite été synthétisé entre l'interface de deux systèmes de solvants constitués d'eau et de dichlorométhane. Le nouveau HGY affichait une bande interdite directe d'environ 1,1 eV et une excellente mobilité calculée des porteurs, ce qui le rend approprié comme matériau semi-conducteur.

Cette nouvelle découverte démontre non seulement la première synthèse du HGY monocristallin ultrafin, mais introduit également un nouveau concept pour la conception et la synthèse d'un tel nouveau type d'allotrope de carbone 2D. On espère que la future application de HGY dans l'industrie des semi-conducteurs ouvrira la voie à une nouvelle génération d'électronique au-delà de l'ère du silicium.

La recherche a été publiée dans Matter . + Explorer plus loin

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