Contrôler la croissance du graphène sur du cuivre liquide

Publié par Redbran le 09/09/2021 à 13:00
Source: CEA
Des chercheurs du CEA-Irig et leurs partenaires démontrent la possibilité de produire du graphène monocristallin exempt de défaut sur plusieurs centimètres carrés, grâce à une optimisation de la croissance cristalline in situ et en temps réel. Prochain défi: développer le procédé à l'échelle industrielle pour un graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) de la plus haute qualité !


(c) CEA/M.Jankowski, G.Renaud, ESRF/O.Konovalov, F.La Porta Univ., Leiden/A.Saedi

Difficile de produire du graphène de grande taille et sans défaut !

Un procédé industriel de CVD (Chemical Vapor Deposition) consiste à décomposer à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) carboné en présence d'un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...) solide. Les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) se déposent à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) du cuivre et s'organisent en une structure hexagonale d'épaisseur mono-atomique. Mais le cuivre polycristallin est à l'origine de défauts variés dans cette couche de graphène: grain (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève...), surcouche, froissement, repli...

Pour s'affranchir de cette contrainte, des chercheurs étudient l'adaptation du procédé à un catalyseur liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...). Or il existe plusieurs obstacles au contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) in situ du dépôt de carbone:
- l'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...) du cuivre,
- la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est...) et la mobilité de la surface métallique,
- la présence de gaz réactifs à la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.).

Les chercheurs de l'Irig sont cependant parvenus à surveiller la croissance du graphène sur du cuivre liquide en mettant en oeuvre - operando, in situ, en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) réel et à diverses échelles - les quatre techniques suivantes:
- diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) et réflectivité de rayons X synchrotron (Le terme synchrotron désigne un grand instrument électromagnétique destiné...),
- spectroscopie Raman,
- microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...).

Les rayons X synchrotron confirment la qualité structurale du graphène (cristallinité). Le suivi en temps réel permet de maîtriser la taille, la forme et la pureté des flocons de graphène et d'optimiser leur vitesse (On distingue :) de croissance. La microscopie couplée à la modélisation, quant à elle, éclaire les scientifiques sur les mécanismes de croissance du graphène.

Cette méthodologie ouvre la voie à la production rapide de graphène monocristallin exempt de défaut sur des surfaces de plusieurs centimètres carrés. Elle peut également être mise en oeuvre pour l'étude d'autres matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) bidimensionnels.

Ces travaux ont été menés en collaboration avec l'ESRF (European Synchrotron Radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) Facility) France, l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Patras (Grèce), l'Université de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de Munich (Allemagne), l'Université de Leiden et Leiden Probe Microscopy (Pays-Bas).

Voir vidéo:
https://www.cea.fr/drf/Mediatheque/Interactions_between_flakes.mp4

Références:
Real-time multiscale monitoring and tailoring of graphene growth on liquid copper, ACS Nano
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