Produire rapidement du graphène avec un nombre de couches défini est un challenge industriel. Les méthodes actuelles de synthèse par décomposition catalytique à haute température d’un gaz sur un métal sont soit trop longues, soit trop imprécises.
Un nouveau procédé est proposé par une équipe de recherche de l’Advanced technology institute de l’Université de Surrey. En utilisant du fer à l’état solide chauffé à température relativement basse (de 450°C à 700°C), les chercheurs synthétisent un graphène de qualité similaire à du graphène exfolié. Comme leur protocole n’utilise pas de gaz, ils sont en mesure d’observer la croissance in situ et en temps réel du graphène à l’aide d’un simple microscope électronique à balayage, et ainsi de contrôler le nombre de couches déposées. Leurs résultats sont publiés en mai dans la revue ACS Applied nano materials.
Migration du carbone pour former des flocons de graphène
Le dispositif est composé de trois matériaux déposés en couches minces – à l’aide de techniques industrielles standard de dépôt sous vide – sur une puce de silicium monocristallin : une fine membrane de nitrure de silicium (50 nm), une couche de Diamond Like Carbon (DLC), un carbone amorphe aux propriétés proches du diamant, (50 nm) et enfin le fer catalyseur (200 nm). En injectant un courant électrique dans la couche de fer, le carbone migre en surface pour former des flocons de graphène lors du recuit thermique.
À 500 °C, une première couche de graphène est déposée en 680 secondes. Il faut ensuite attendre plus de 4 minutes avant que la deuxième couche ne commence à se former. Des durées qui permettent la production de multiples couches de graphènes découplées. De plus, l’un des avantages de ce dispositif est qu’il permet des vitesses de chauffe et de refroidissement très élevées (de l’ordre de 1000 degrés par seconde). Cette approche permet de contrôler de manière fiable et reproductible le nombre de couches déposées : la croissance peut être observée en temps réel à l’aide d’un microscope électronique à balayage, et le chauffage arrêté au moment voulu.
Les auteurs notent que cette nouvelle méthode offre pour la première fois la possibilité de synthétiser rapidement et à basse température du graphène de façon contrôlée. Grâce à ses propriétés électriques, optiques et chimiques, le graphène de haute qualité intéresse notamment l’industrie de l’Internet des objets.
