Aujourd'hui, des ingénieurs de l'Université de Columbia et des collègues de l'Université de Montréal et du National Institute of Standards and Technology sont prêts à nettoyer les choses avec une méthode de dépôt chimique en phase vapeur sans oxygène (OF-CVD) qui peut créer des échantillons de graphène de haute qualité à échelle.

Leurs travaux, publiés le 29 mai dans Nature démontre directement comment les traces d'oxygène affectent le taux de croissance du graphène et identifie pour la première fois le lien entre l'oxygène et la qualité du graphène.

"Nous montrons que l'élimination de pratiquement tout l'oxygène du processus de croissance est la clé pour parvenir à une synthèse de graphène CVD reproductible et de haute qualité", a déclaré l'auteur principal James Hone, professeur Wang Fong-Jen de génie mécanique à Columbia Engineering. "Il s'agit d'une étape importante vers la production à grande échelle de graphène."

Le graphène a toujours été synthétisé de deux manières. Il existe la méthode du « scotch-tape », dans laquelle des couches individuelles sont décollées d'un échantillon en vrac de graphite (le même matériau que vous trouverez dans la mine de crayon) à l'aide de ruban adhésif domestique.

De tels échantillons exfoliés peuvent être assez propres et exempts d'impuretés qui pourraient autrement interférer avec les propriétés souhaitables du graphène. Cependant, ils ont tendance à être trop petits (quelques dizaines de micromètres seulement) pour les applications à l'échelle industrielle et sont donc mieux adaptés à la recherche en laboratoire.

Pour passer des explorations en laboratoire aux applications réelles, les chercheurs ont développé il y a environ 15 ans une méthode permettant de synthétiser du graphène sur de grandes surfaces. Ce processus, connu sous le nom de croissance CVD, fait passer un gaz contenant du carbone, tel que le méthane, sur une surface de cuivre à une température suffisamment élevée (environ 1 000 °C) pour que le méthane se brise et que les atomes de carbone se réorganisent pour former un seul nid d'abeilles. couche façonnée de graphène.

La croissance des CVD peut être augmentée pour créer des échantillons de graphène mesurant des centimètres, voire des mètres. Cependant, malgré des années d'efforts de la part de groupes de recherche du monde entier, les échantillons synthétisés par CVD ont souffert de problèmes de reproductibilité et de qualité variable.

Le problème était l’oxygène. Dans des publications antérieures, les co-auteurs Richard Martel et Pierre Levesque de Montréal avaient montré que des traces d'oxygène pouvaient ralentir le processus de croissance et même attaquer le graphène. Ainsi, il y a environ six ans, Christopher DiMarco, GSAS'19, a conçu et construit un système de croissance CVD dans lequel la quantité d'oxygène introduite pendant le processus de dépôt pouvait être soigneusement contrôlée.

Doctorat actuel. les étudiants Xingzhou Yan et Jacob Amontree ont poursuivi le travail de DiMarco et amélioré encore le système de croissance. Ils ont constaté que lorsque les traces d’oxygène étaient éliminées, la croissance des maladies cardiovasculaires était beaucoup plus rapide et donnait à chaque fois les mêmes résultats. Ils ont également étudié la cinétique de croissance du graphène CVD sans oxygène et ont découvert qu'un modèle simple pouvait prédire le taux de croissance sur une gamme de paramètres différents, notamment la pression et la température du gaz.

La qualité des échantillons cultivés par OF-CVD s'est avérée pratiquement identique à celle du graphène exfolié. En collaboration avec des collègues du département de physique de Columbia, leur graphène a montré des preuves frappantes de l'effet Hall quantique fractionnaire sous des champs magnétiques, un phénomène quantique qui n'avait auparavant été observé que dans des systèmes électriques bidimensionnels de très haute qualité.

À partir de là, l'équipe prévoit de développer une méthode pour transférer proprement son graphène de haute qualité du catalyseur de croissance métallique vers d'autres substrats fonctionnels tels que le silicium :la dernière pièce du puzzle pour tirer pleinement parti de ce matériau merveilleux.

"Nous sommes tous deux devenus fascinés par le graphène et son potentiel en tant qu'étudiants de premier cycle", ont déclaré Amontree et Yan. "Nous avons mené d'innombrables expériences et synthétisé des milliers d'échantillons au cours des quatre dernières années de notre doctorat. Voir cette étude enfin se concrétiser est un rêve devenu réalité."