Le graphène, une couche unique d'atomes de carbone disposés dans un réseau hexagonal, a suscité beaucoup d'intérêt en raison de ses propriétés remarquables.
Pour exploiter ces propriétés, diverses techniques ont été mises au point pour sa croissance.
Nous examinons ici cinq méthodes clés utilisées pour produire du graphène.
Quelles sont les techniques de croissance du graphène ? (5 méthodes clés expliquées)
1. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est l'une des méthodes les plus prometteuses pour produire du graphène monocouche de haute qualité sur de grandes surfaces.
Le dépôt chimique en phase vapeur utilise une source d'hydrocarbures gazeux.
La croissance se produit soit par diffusion et ségrégation du carbone dans un substrat métallique à forte solubilité de carbone (par exemple, Ni), soit par adsorption de surface dans un métal à faible solubilité de carbone (par exemple, Cu).
La méthode de piégeage de la vapeur, une technique CVD spécifique, implique l'utilisation d'un grand et d'un petit tube de quartz où le CH4/H2 est introduit dans le grand tube et une feuille de Cu est chargée dans le petit tube.
Cette méthode permet la croissance de fleurs de graphène à gros grains en créant une distribution quasi-statique des gaz réactifs et en réduisant l'apport de carbone.
2. Exfoliation en phase liquide
L'exfoliation en phase liquide consiste à exfolier le graphite en vrac dans un solvant en utilisant de l'énergie.
En général, on utilise des solvants non aqueux comme le n-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) ou des solutions aqueuses avec un agent tensioactif.
L'énergie nécessaire à l'exfoliation peut provenir d'une sonication par corne ultrasonique ou de forces de cisaillement élevées.
Cette méthode convient à la production de masse mais donne généralement une qualité électrique inférieure à celle du dépôt en phase vapeur (CVD).
3. Sublimation du carbure de silicium (SiC)
La sublimation du carbure de silicium (SiC) implique la décomposition thermique d'un substrat de SiC dans un vide ultra poussé afin de minimiser la contamination.
L'excès de carbone à la surface se réarrange pour former un réseau hexagonal, ce qui permet d'obtenir du graphène épitaxial.
Toutefois, cette méthode est coûteuse et nécessite de grandes quantités de Si pour une production à grande échelle.
4. Croissance directe sur des substrats non métalliques
La croissance directe sur des substrats non métalliques consiste à faire croître le graphène directement sur des surfaces non métalliques, dont l'activité catalytique est plus faible que celle des surfaces métalliques.
Ce phénomène peut être compensé par l'utilisation de températures élevées, d'une catalyse assistée par des métaux ou d'un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) assisté par plasma.
Bien que la qualité du graphène produit par cette méthode ne soit pas aussi élevée, elle est considérée comme une méthode potentielle pour de futures applications industrielles.
5. Hybrides 2D
Les hybrides 2D consistent à hybrider le graphène avec d'autres matériaux 2D pour améliorer les applications technologiques.
Par exemple, l'utilisation de films de nitrure de bore hexagonal (h-BN) comme substrats peut améliorer les caractéristiques courant-tension des FET au graphène.
Ces hybrides peuvent être créés en empilant des matériaux, soit par transfert couche par couche, soit par croissance directe, cette dernière méthode offrant une évolutivité et une contamination moindre.
Chacune de ces méthodes a ses avantages et ses inconvénients, le dépôt en phase vapeur étant le plus utilisé pour la production de graphène de haute qualité sur de grandes surfaces, en raison de sa relative rentabilité et de son évolutivité.
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