La synthèse du graphène fait principalement appel à deux méthodes : une approche "descendante" et une approche "ascendante".
La méthode "descendante" implique l'exfoliation mécanique du graphite.
L'approche ascendante se concentre sur le dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
Le dépôt chimique en phase vapeur est particulièrement remarquable pour sa capacité à produire des films de graphène de grande surface et de haute qualité, adaptés aux applications industrielles.
Quelles sont les méthodes de synthèse du graphène ? 5 approches clés expliquées
1. Approche descendante : Exfoliation mécanique
La méthode descendante, illustrée par l'exfoliation mécanique, consiste à séparer les couches de graphène du graphite en vrac.
Cette technique a été démontrée pour la première fois par Geim et Novoselov en 2004.
Bien que cette méthode soit utile pour la recherche fondamentale en raison de la haute qualité du graphène obtenu, elle n'est pas extensible pour une production à grande échelle en raison de sa nature laborieuse et de la petite taille des paillettes de graphène produites.
2. Approche ascendante - Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
Le dépôt chimique en phase vapeur est actuellement la technique la plus prometteuse pour synthétiser du graphène de haute qualité à grande échelle.
Le processus implique généralement la décomposition d'un hydrocarbure gazeux (comme le méthane) sur la surface d'un catalyseur métallique, tel que le cuivre ou le nickel, à des températures élevées.
Les atomes de carbone du gaz décomposé se diffusent ensuite dans le métal et se précipitent sous forme de graphène sur la surface pendant le processus de refroidissement.
2.1 Substrat de nickel
Dans le cas du nickel, la température élevée permet aux atomes de carbone de se diffuser dans le nickel.
Lors du refroidissement, ces atomes de carbone migrent vers la surface et forment du graphène.
Cette méthode est efficace mais peut entraîner la formation de graphène multicouche et nécessite un contrôle précis de la vitesse de refroidissement afin d'optimiser la qualité et l'épaisseur de la couche de graphène.
2.2 Substrat en cuivre
Le cuivre est plus couramment utilisé car il favorise la formation de graphène monocouche.
Le procédé CVD utilisant des substrats en cuivre implique la décomposition du méthane sur la surface du cuivre, où les atomes de carbone se dissolvent dans le cuivre et se séparent ensuite pour former du graphène lors du refroidissement.
Cette méthode, mise au point par Li et al. en 2009, a été industrialisée pour la production à grande échelle de films de graphène.
3. Production à grande échelle et en masse
La méthode CVD a été optimisée pour la production de masse et de grande surface grâce à des techniques telles que les procédés lot à lot (B2B) et rouleau à rouleau (R2R).
Le procédé B2B consiste à empiler ou à laminer des feuilles de cuivre pour augmenter le rendement de la production.
Le procédé R2R améliore l'automatisation et l'évolutivité, ce qui permet de produire des films de graphène d'une longueur pratiquement illimitée.
4. Applications et marché
Alors que la méthode descendante produit principalement des poudres et des nanoparticules de graphène utilisées dans diverses applications non électroniques, le graphène produit par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est davantage destiné aux applications électroniques en raison de sa qualité supérieure et de son échelle plus grande.
Le marché du graphène, en particulier sous forme de poudres et de nanoparticules, devrait connaître une croissance significative, avec des revenus potentiels supérieurs à 600 millions de dollars au cours de la prochaine décennie.
5. Pertinence industrielle de la CVD
En résumé, la synthèse du graphène fait appel à des méthodes descendantes et ascendantes, la CVD étant la plus pertinente sur le plan industriel en raison de son évolutivité et de la haute qualité du graphène produit.
Cette méthode est essentielle pour répondre à la demande croissante de graphène dans diverses applications de haute technologie.
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