Le graphène peut être synthétisé à l'aide de plusieurs méthodes, chacune ayant ses propres avantages et limites.
Quelles sont les différentes méthodes de synthèse du graphène (4 méthodes clés expliquées) ?
1. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
Cette méthode est largement utilisée pour produire des films de graphène de haute qualité à grande échelle.
Le dépôt en phase vapeur consiste à faire croître des films de graphène sur des substrats tels que le nickel (Ni) ou le cuivre (Cu) à l'aide d'hydrocarbures gazeux.
Pour les substrats en nickel, les atomes de carbone se diffusent dans le métal à haute température et précipitent à la surface pendant le refroidissement.
Pour les substrats en cuivre, qui présentent une faible solubilité du carbone, le graphène se forme par adsorption à la surface.
La technique CVD est privilégiée en raison de son évolutivité, de sa rentabilité et de sa capacité à produire du graphène monocouche sur de grandes surfaces.
2. Exfoliation en phase liquide
Cette méthode consiste à exfolier le graphite en vrac dans un solvant dont la tension de surface est suffisante pour stabiliser le graphène obtenu.
Des solvants tels que la n-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) ou des solutions aqueuses contenant des agents tensioactifs sont utilisés.
L'énergie nécessaire à l'exfoliation provient généralement d'une sonication par corne ultrasonique ou de forces de cisaillement élevées.
Bien que le rendement soit relativement faible, la centrifugation peut être utilisée pour obtenir une fraction significative de flocons de graphène monocouche et multicouche.
3. Sublimation contrôlée du SiC
Cette méthode implique la décomposition thermique d'un substrat de SiC dans un ultravide afin de minimiser la contamination.
Après la désorption du silicium, l'excès de carbone à la surface se réarrange pour former un réseau hexagonal, produisant du graphène épitaxial.
Toutefois, cette méthode est coûteuse et nécessite des quantités importantes de Si pour une production à grande échelle.
4. CVD à l'aide de substrats de croissance et d'une source de gaz hydrocarboné
Cette méthode se différencie en fonction de la solubilité du carbone dans le substrat.
Pour les substrats à haute solubilité comme le Ni, la diffusion et la ségrégation du carbone se produisent, tandis que pour les substrats à faible solubilité comme le Cu, l'adsorption de surface est le mécanisme principal.
Le dépôt chimique en phase vapeur sur des substrats métalliques, en particulier le Cu, a donné les résultats les plus prometteurs pour la production de graphène monocouche sur de grandes surfaces.
Chacune de ces méthodes a été développée pour répondre à des besoins spécifiques en matière de production de graphène, tels que la qualité, l'extensibilité et le coût.
Le choix de la méthode dépend de l'application envisagée et des ressources disponibles.
Par exemple, le dépôt chimique en phase vapeur est idéal pour la production industrielle à grande échelle en raison de son évolutivité et de sa rentabilité, tandis que l'exfoliation en phase liquide peut être préférée pour les expériences en laboratoire ou les applications nécessitant de petites quantités de graphène.
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