Une nouvelle façon de fabriquer des feuilles de graphène, augmenterait la consommation de graphite

La promesse du graphène en tant que matériau pour de nouveaux types d’appareils électroniques, entre autres utilisations, a conduit des chercheurs du monde entier à étudier le matériau à la recherche de nouvelles applications. Mais l’une des plus grandes limites à une utilisation plus large du matériau solide, léger et hautement conducteur a été l’obstacle de la fabrication à l’échelle industrielle. Le travail initial avec le matériau de carbone, qui forme un maillage à l’échelle atomique et n’a qu’un seul atome d’épaisseur, s’est appuyé sur l’utilisation de minuscules flocons, généralement obtenus en retirant rapidement un morceau de ruban adhésif d’un bloc de graphite – un faible- système technologique qui ne se prête pas à la fabrication. Depuis lors, l’accent s’est déplacé vers la fabrication de films de graphène sur une feuille métallique, mais les chercheurs ont rencontré des difficultés pour transférer le graphène de la feuille vers des substrats utiles.

Aujourd’hui, des chercheurs du MIT et de l’Université du Michigan ont mis au point un moyen de produire du graphène, dans un processus qui se prête à une mise à l’échelle, en fabriquant du graphène directement sur des matériaux tels que de grandes feuilles de verre. Le processus est décrit, dans un article publié la semaine dernière dans la revue Scientific Reports, par une équipe de neuf chercheurs dirigée par A. John Hart du MIT. Les principaux auteurs de l’article sont Dan McNerny, un ancien post-doctorant du Michigan, et Viswanath Balakrishnan, un ancien post-doctorant du MIT qui travaille maintenant à l’Indian Institute of Technology.

Actuellement, la plupart des méthodes de fabrication du graphène font d’abord pousser le matériau sur un film de métal, tel que le nickel ou le cuivre, explique Hart, professeur associé de développement de carrière Mitsui en génie mécanique. «Pour le rendre utile, vous devez le retirer du métal et le placer sur un substrat, comme une tranche de silicium ou une feuille de polymère, ou quelque chose de plus grand comme une feuille de verre», dit-il. «Mais le processus de transfert est devenu beaucoup plus frustrant que le processus de croissance du graphène lui-même, et peut endommager et contaminer le graphène.»

Le nouveau travail, dit Hart, utilise toujours un film métallique comme modèle – mais au lieu de fabriquer du graphène uniquement sur le dessus du film métallique, il fabrique du graphène à la fois en haut et en bas du film. Le substrat dans ce cas est du dioxyde de silicium, une forme de verre, surmonté d’un film de nickel.

En utilisant le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour déposer une couche de graphène sur le dessus du film de nickel, Hart dit, on obtient «non seulement du graphène sur le dessus [de la couche de nickel], mais aussi sur le dessous. Le film de nickel peut ensuite être décollé, ne laissant que le graphène sur le dessus du substrat non métallique.

De cette façon, il n’est pas nécessaire de recourir à un processus séparé pour fixer le graphène au substrat prévu – qu’il s’agisse d’une grande plaque de verre pour un écran d’affichage ou d’un matériau mince et flexible qui pourrait être utilisé comme base pour un solaire léger et portable. cellule, par exemple. «Vous effectuez le CVD sur le substrat et, en utilisant notre méthode, le graphène reste en arrière sur le substrat», explique Hart.

En plus des chercheurs du Michigan, où Hart enseignait auparavant, le travail a été réalisé en collaboration avec un grand fabricant de verre, Guardian Industries. «Pour répondre aux besoins de fabrication, il doit être très évolutif», déclare Hart. L’entreprise utilise actuellement un procédé float, où le verre se déplace à une vitesse de plusieurs mètres par minute dans des installations qui produisent des centaines de tonnes de verre chaque jour. «Nous avons été inspirés par la nécessité de développer un processus de fabrication évolutif qui pourrait produire du graphène directement sur un substrat en verre», déclare Hart.

Le travail en est encore à ses débuts; Hart avertit que «nous devons encore améliorer l’uniformité et la qualité du graphène pour le rendre utile.» Mais le potentiel est grand, suggère-t-il: «La capacité de produire du graphène directement sur des substrats non métalliques pourrait être utilisée pour les écrans grand format et les écrans tactiles, et pour les fenêtres« intelligentes »qui ont des dispositifs intégrés tels que des radiateurs et des capteurs.»

Hart ajoute que l’approche pourrait également être utilisée pour des applications à petite échelle, telles que les circuits intégrés sur des plaquettes de silicium, si le graphène peut être synthétisé à des températures plus basses que celles utilisées dans la présente étude.

«Ce nouveau procédé est basé sur une compréhension de la croissance du graphène de concert avec la mécanique du film de nickel», dit-il. «Nous avons montré que ce mécanisme peut fonctionner. Il s’agit maintenant d’améliorer les attributs nécessaires pour produire un revêtement de graphène haute performance. »

Christos Dimitrakopoulos, professeur de génie chimique à l’Université du Massachusetts à Amherst qui n’a pas participé à ce travail, déclare: «Il s’agit d’un travail très important pour les applications de graphène à très grande surface sur des substrats isolants.» Par rapport à d’autres méthodes, telles que l’utilisation d’un substrat de carbure de silicium (SiC) pour faire croître du graphène, il dit: «Le fait que la taille latérale du graphène dans l’approche du groupe Hart n’est limitée que par la taille du réacteur [CVD], au lieu de la taille de la tranche de SiC, est un avantage majeur. »

«C’est un travail de haute qualité et soigneusement exécuté», ajoute Dimitrakopoulos.