Contrôler la croissance du graphène sur du cuivre liquide

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 de la plus haute qualité !

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 un gaz carboné en présence d'un catalyseur de cuivre solide. Les atomes de carbone se déposent à la surface 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, surcouche, froissement, repli...

Pour s'affranchir de cette contrainte, des chercheurs étudient l'adaptation du procédé à un catalyseur liquide. Or il existe plusieurs obstacles au contrôle in situ du dépôt de carbone:
- l'évaporation du cuivre,
- la courbure et la mobilité de la surface métallique,
- la présence de gaz réactifs à la pression atmosphérique.

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 réel et à diverses échelles - les quatre techniques suivantes:
- diffraction et réflectivité de rayons X synchrotron,
- spectroscopie Raman,
- microscopie optique.

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 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 bidimensionnels.

Ces travaux ont été menés en collaboration avec l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) France, l'Université de Patras (Grèce), l'Université de technologie 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