Les matériaux d’une épaisseur de quelques atomes, connus sous le nom de matériaux bidimensionnels (2D), sont en passe de révolutionner les technologies futures, y compris dans l’industrie électronique. Cependant, la commercialisation d'appareils contenant des matériaux 2D a été confrontée à des défis en raison de la difficulté de transférer ces matériaux extrêmement fins de l'endroit où ils sont fabriqués sur l'appareil.
Aujourd'hui, une équipe de recherche de l'Université de Kyushu, en collaboration avec la société japonaise Nitto Denko, a développé un ruban adhésif qui peut être utilisé pour coller des matériaux 2D sur de nombreuses surfaces différentes, de manière simple et conviviale. Les résultats ont été publiés dans Nature Electronics le 9 février 2024.
"Le transfert de matériaux 2D est généralement un processus très technique et complexe ; le matériau peut facilement se déchirer ou être contaminé, ce qui dégrade considérablement ses propriétés uniques", explique l'auteur principal, le professeur Hiroki Ago du Global Innovation Center de l'Université de Kyushu. "Notre ruban offre une alternative simple et rapide et réduit les dommages."
Les chercheurs ont commencé par se concentrer sur le graphène. Fabriqué à partir d’une fine feuille d’atomes de carbone, le graphène est résistant, flexible et léger, avec une conductivité thermique et électrique élevée. Surnommé « matériau miracle » dès sa découverte, il a des applications potentielles dans la biodétection, l'administration de médicaments anticancéreux, l'aéronautique et les appareils électroniques.
"L'une des principales méthodes de fabrication du graphène consiste à déposer chimiquement en phase vapeur, où le graphène est cultivé sur un film de cuivre. Mais pour fonctionner correctement, le graphène doit être séparé du cuivre et transféré sur un substrat isolant, comme le silicium", explique le professeur Ago. .
"Pour ce faire, un polymère protecteur est placé sur le graphène, puis le cuivre est éliminé à l'aide d'une solution de gravure, telle qu'un acide. Une fois fixée au nouveau substrat, la couche de polymère protecteur est ensuite dissoute avec un solvant. Ce processus est coûteux. , prend du temps et peut provoquer des défauts à la surface du graphène ou laisser des traces du polymère."
Le professeur Ago et ses collègues ont donc cherché à proposer une manière alternative de transférer le graphène. Ils ont utilisé l'IA pour développer une bande polymère spécialisée, baptisée « bande UV », qui change son attraction en graphène lorsqu'elle est irradiée par une lumière UV.
Avant l'exposition à la lumière UV, le ruban présente une forte adhérence au graphène, lui permettant de « coller ». Mais après exposition aux UV, la liaison atomique change, ce qui diminue le niveau d’adhésion au graphène d’environ 10 %. Le ruban UV devient également légèrement plus rigide et plus facile à décoller. Pris ensemble, ces changements permettent de décoller la bande du substrat de l'appareil tout en laissant le graphène derrière.
Les chercheurs ont également développé des bandes capables de transférer deux autres matériaux 2D :le graphène blanc (hBN), un isolant pouvant agir comme une couche protectrice lors de l'empilement de matériaux 2D, et les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), un matériau prometteur pour la prochaine génération de semi-conducteurs. .
Il est important de noter que lorsque les chercheurs ont examiné de près la surface des matériaux 2D après le transfert, ils ont constaté une surface plus lisse avec moins de défauts que lors du transfert à l'aide de la technique conventionnelle actuelle. Après avoir testé les propriétés des matériaux, ils ont également constaté qu'ils étaient plus efficaces.
Le transfert par ruban UV offre également de nombreux autres avantages par rapport aux techniques de transfert actuelles. Étant donné que le ruban UV est flexible et que le processus de transfert ne nécessite pas l'utilisation de solvants dissolvant le plastique, des plastiques flexibles peuvent être utilisés comme substrat de l'appareil, élargissant ainsi les applications potentielles.
"Par exemple, nous avons fabriqué un appareil en plastique qui utilise le graphène comme capteur térahertz. Comme les rayons X, le rayonnement térahertz peut traverser des objets que la lumière ne peut pas traverser, mais n'endommage pas le corps", explique le professeur Ago. "C'est très prometteur pour l'imagerie médicale ou la sécurité aéroportuaire."
De plus, la bande UV peut être découpée sur mesure afin que seule la quantité exacte de matériau 2D nécessaire soit transférée, minimisant ainsi les déchets et réduisant les coûts. Des couches 2D de différents matériaux peuvent également être facilement superposées dans différentes orientations, permettant aux chercheurs d'explorer de nouvelles propriétés émergentes à partir des matériaux empilés.
Pour les prochaines étapes, les chercheurs visent à étendre la taille de la bande UV à l’échelle nécessaire aux fabricants. Actuellement, la plus grande plaquette de graphène pouvant être transférée mesure 10 cm de diamètre. Le professeur Ago et ses collègues tentent également de résoudre le problème des rides et des bulles qui se forment sur le ruban, provoquant de petits défauts.
L'équipe de recherche espère également améliorer la stabilité, afin que les matériaux 2D puissent être attachés aux bandes UV pendant une période plus longue et distribués aux utilisateurs finaux, tels que d'autres scientifiques.
"Les utilisateurs finaux peuvent ensuite transférer le matériau sur le substrat de leur choix en appliquant et en retirant le ruban UV comme un autocollant pour enfant, sans aucune formation nécessaire", explique le professeur Ago. "Une méthode aussi simple pourrait changer fondamentalement le style de recherche et accélérer le développement commercial des matériaux 2D."
Plus d'informations : Matériaux bidimensionnels prêts à transférer à l'aide de bandes à force adhésive réglables, Nature Electronics (2024). DOI :10.1038/s41928-024-01121-3
Informations sur le journal : Électronique naturelle
Fourni par l'Université de Kyushu
