Super fort et seulement un atome d'épaisseur, le graphène est prometteur en tant que nanomatériau pour tout, de la microélectronique au stockage d'énergie propre. Mais l'absence d'une propriété a limité son utilisation. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Princeton et du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE) ont surmonté ce problème en utilisant du plasma à basse température, créant une nouvelle technique qui ouvre la porte à une vaste gamme d'applications industrielles et scientifiques pour le nanomatériau prometteur.

Plus solide que l'acier

Le graphène, qui est plus dur que les diamants et plus résistant que l'acier, pourrait constituer la base des technologies de nouvelle génération. Mais l'absence d'une propriété appelée bande interdite dans le graphite à mine de crayon qui compose le graphène limite sa capacité à fonctionner comme un semi-conducteur, le matériau au cœur des dispositifs microélectroniques. Les semi-conducteurs isolent et conduisent le courant électrique, mais bien que le graphène soit un excellent conducteur, il ne peut pas servir d'isolant sans bande interdite.

"Les gens utilisent du silicium qui a une bande interdite pour les semi-conducteurs", a déclaré Fang Zhao, auteur principal d'un article dans la revue Carbon. qui décrit le nouveau processus. "L'ouverture d'une bande interdite importante sur le graphène a donné lieu à d'intenses études sur l'utilisation des semi-conducteurs", a déclaré Zhao, physicien au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) qui a rédigé l'article alors qu'il était chercheur postdoctoral à Princeton.

Le dilemme a conduit les scientifiques du monde entier à explorer les moyens de produire une bande interdite dans le graphène pour étendre ses applications potentielles. Une méthode populaire consiste à modifier chimiquement la surface du graphène avec de l'hydrogène, un processus appelé "hydrogénation". Mais la manière conventionnelle de procéder produit une gravure et une pulvérisation irréversibles qui peuvent sérieusement endommager la surface du graphène, connu sous le nom de matériau 2D en raison de sa nature ultra-mince, en quelques secondes ou minutes.

Des scientifiques de Princeton et de PPPL ont maintenant montré qu'une nouvelle méthode d'hydrogénation du graphène peut ouvrir en toute sécurité la porte à des applications microélectroniques de grande envergure. La méthode marque une nouvelle façon de produire du plasma d'hydrogène qui élargit considérablement la couverture d'hydrogène dans le matériau 2D. "Ce processus crée des traitements à l'hydrogène beaucoup plus longs en raison de ses faibles dommages au graphène", a déclaré Zhao.

Le plasma, l'état chaud et chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, représente 99 % de l'univers visible. Le plasma d'hydrogène à basse température que PPPL a développé pour hydrogéner le graphène contraste avec les plasmas de fusion à un million de degrés qui ont longtemps été la marque de fabrique de la recherche PPPL, qui vise à développer une énergie de fusion sûre, propre et abondante pour générer de l'électricité.

Spinoff de Ptolémée

La nouvelle méthode découle d'une expérience appelée Ptolemy, un projet universitaire que le physicien de Princeton Chris Tully a développé avec l'aide de Zhao. Ce projet utilise la désintégration du tritium, l'isotope radioactif de l'hydrogène, dans le but de capturer les neutrinos reliques qui ont émergé quelques secondes seulement après le Big Bang qui a créé l'univers. De telles reliques pourraient apporter un nouvel éclairage sur le Big Bang, selon le projet Ptolémée.

Pour améliorer le taux de détection de la désintégration, Tully s'est tourné vers le physicien PPPL Yevgeny Raitses, qui dirige la recherche sur le plasma à basse température au PPPL. "La volonté de PPPL d'unir ses forces et d'apporter des propriétés de matériaux 2D transformationnelles est inspirante", a déclaré Tully. "Battre le record mondial du rendement d'hydrogénation du graphène est un hommage aux capacités uniques de PPPL."

Raitses et ses collègues ont développé une méthode pour étendre la couverture de l'hydrogène dans le graphène qui abrite la désintégration du tritium. Le processus augmente considérablement les applications futures du graphène. "Cette retombée de Ptolémée peut désormais être utilisée pour la microélectronique, le QIS [science de l'information quantique] et d'autres applications", a déclaré Raitses. "La méthode peut également être appliquée à d'autres matériaux 2D."

Les retombées combinent des champs électriques et magnétiques pour produire un plasma d'hydrogène qui fournit de l'hydrogène en abondance avec peu de dommages au graphène. Cette méthode douce et bien contrôlée est elle-même une retombée de la recherche que Raitses a développée lors de l'étude des propulseurs Hall, des moteurs à plasma de propulsion des engins spatiaux. La technique a hydrogéné le graphène pendant jusqu'à 30 minutes dans des expériences PPPL, augmentant considérablement la couverture d'hydrogène et ouvrant une bande interdite qui transforme le graphène en matériau semi-conducteur.

Tout ça, dit le Carbon papier, crée une méthode attrayante pour fabriquer des matériaux 2D "[sources] intéressantes et prometteuses pour de vastes applications."

Les physiciens de Princeton Chris Tully et Andi Tan ont également collaboré à cet article, ainsi que le chimiste Xiaofang Yang du département de génie chimique et biologique de Princeton. Le soutien de ce travail provient du DOE Office of Science (FES) et du Air Force Office of Scientific Research. + Explorer plus loin

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