Contrôler la croissance du graphène sur cuivre liquide

Publié par Adrien le 16/09/2021 à 09:00
Source: CEA IRIG

© MEM
Le procédé mis au point par des chercheurs de l'Irig ouvre la voie à la production rapide de graphène monocristallin exempt de défaut sur des surfaces de plusieurs centimètres carrés, donc adapté à différentes applications électroniques. Cette méthodologie de suivi et de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) réel peut également être appliquée pour la caractérisation fine d'autres matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) 2D.

La synthèse de matériaux bidimensionnels de grande taille et sans défaut constitue un défi majeur pour les applications industrielles (photovoltaïque, semi-conducteurs etc.). L'état de l'art pour le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) consiste à réaliser le dépôt sur du cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...) solide par un procédé de croissance chimique en phase vapeur () (CVD) à des températures supérieures à 1000 °C. Mais le cuivre polycristallin génère des défauts dans la couche de graphène, et après refroidissement la couche forme des "rides" et des domaines qui dégradent notablement sa qualité. Les chercheurs travaillent sur le développement d'un nouveau procédé de synthèse CVD utilisant des catalyseurs (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) métalliques à l'état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...).


Figure 1: Représentation des quatre techniques couplées in situ, operandoet en temps réel, pour le contrôle de la croissance de graphène de grande qualité et en grande taille.
© Francesco La Porta.

Un nouveau procédé permet d'élaborer du graphène exempt de défaut, et de taille compatible avec le développement de dispositifs. Cette croissance par voie chimique est opérée dans des conditions de températures (~1100 °C) et de pressions (~0,1 à 1 atm) comparables à celles utilisant des catalyseurs solides. Jusqu'alors, l'élaboration se faisait en aveugle. Elle n'était optimisée que de façon empirique faute d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) durant la croissance du fait de la présence de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) réactifs à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) et pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.), et de l'état liquide du substrat.

Les chercheurs de l'Irig [collaboration] ont mis au point (Graphie) des instruments de caractérisation utilisés in situ, operando, permettant de contrôler et de guider en temps réel la formation des cristaux de graphène. Quatre méthodes complémentaires (Figure 1) ont été appliquées in situ en temps réel: la diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) des rayons X synchrotron (Le terme synchrotron désigne un grand instrument électromagnétique destiné...), leur réflectivité, la spectroscopie Raman et la 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...) en mode rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) (Figure 2). Les rayons X synchrotron confirment la cristallinité supérieure du graphène en une monocouche.


Figure 2: Flocons de graphène vus par microscopie en mode radiatif durant leur croissance sur métal liquide (Echelle des images: ~1 mm).
© MEM.

Le suivi en temps réel permet de maîtriser la taille, la forme et la pureté des cristaux et d'optimiser la vitesse (On distingue :) de croissance. Enfin, les observations expérimentales associées à une modélisation ont permis de comprendre les mécanismes de la croissance. La morphologie de la couche de graphène est ainsi contrôlée et comprise à toutes les échelles, de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) jusqu'au millimètre.

Le procédé mis au point ouvre la voie à la production rapide de graphène monocristallin exempt de défaut sur des surfaces de plusieurs centimètres carrés (Figure 3), donc adapté à différentes applications électroniques. Cette méthodologie de suivi et de contrôle en temps réel peut également être appliquée pour la caractérisation fine d'autres matériaux 2D.


Figure 3: Représentation schématique de la production en continu de matériaux 2D par croissance sur des métaux catalyseurs liquides.
© MEM.

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est un procédé d'élaboration de matériaux à partir de précurseurs gazeux. Dans une enceinte sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), le substrat est exposé à des gaz qui réagissent et/ou se décomposent à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) du substrat pour générer le dépôt.
Operando: étude du procédé en cours et dans les conditions réelles.

Collaboration:
ESRF-The European Synchrotron, France ; Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Patras, Grèce ; Université de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de Munich, Allemagne ; Université de Leiden et Leiden Probe Microscopy (LPM), Hollande.

Références:
Jankowski M, Saedi M, La Porta F, Manikas AC, Tsakonas C, Cingolani JS, Andersen M, de Voogd M, van Baarle GJC, Reuter K, Galiotis C, Renaud G, Konovalov OV and Groot IMN
Real-time multiscale monitoring and tailoring of graphene growth on liquid copper.
ACS Nano, 2021.
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