Le graphène, souvent qualifié de « matériau miracle du XXIe siècle », suscite un intérêt croissant depuis sa découverte en 2004. Ce matériau, constitué d’une seule couche d’atomes de carbone, possède des propriétés uniques telles qu’une conductivité électrique ultra-élevée et une résistance à la traction remarquable. Cependant, un problème majeur a longtemps entravé son développement : sa pureté.
Une méthode innovante pour purifier le graphène
Des ingénieurs de l’Université Columbia, en collaboration avec l’Université de Montréal et le National Institute of Standards and Technology, ont mis au point une méthode de dépôt chimique en phase vapeur sans oxygène (OF-CVD) capable de produire des échantillons de graphène de haute qualité à grande échelle. Leur étude démontre directement comment des traces d’oxygène affectent le taux de croissance du graphène et identifie pour la première fois le lien entre l’oxygène et la qualité du graphène.
James Hone, professeur de génie mécanique à Columbia Engineering, explique : « Nous montrons que l’élimination de pratiquement tout l’oxygène du processus de croissance est la clé pour obtenir une synthèse de graphène CVD de haute qualité et reproductible. C’est une étape importante vers la production à grande échelle de graphène. »
Les méthodes traditionnelles de synthèse du graphène
Historiquement, le graphène a été synthétisé de deux manières principales. La méthode dite du «scotch-tape» consiste à peler des couches individuelles d’un échantillon massif de graphite à l’aide de ruban adhésif. Bien que ces échantillons exfoliés soient souvent très propres et exempts d’impuretés, ils sont généralement trop petits pour des applications industrielles, étant mieux adaptés à la recherche en laboratoire.
Pour passer des explorations en laboratoire aux applications réelles, les chercheurs ont développé il y a environ 15 ans une méthode de synthèse de graphène à grande échelle. Ce processus, connu sous le nom de croissance CVD, consiste à faire passer un gaz contenant du carbone, comme le méthane, sur une surface de cuivre à une température suffisamment élevée (environ 1000 °C) pour que le méthane se décompose et que les atomes de carbone se réarrangent pour former une seule couche en forme de nid d’abeille. La croissance CVD peut être mise à l’échelle pour créer des échantillons de graphène de plusieurs centimètres, voire mètres.
Le rôle crucial de l’oxygène
Malgré des années d’efforts de la part de groupes de recherche du monde entier, les échantillons synthétisés par CVD ont souffert de problèmes de reproductibilité et de qualité variable. Le problème était l’oxygène. Dans des publications antérieures, Richard Martel et Pierre Levesque de Montréal avaient montré que des traces d’oxygène peuvent ralentir le processus de croissance et même éroder le graphène.
Il y a environ six ans, Christopher DiMarco a conçu et construit un système de croissance CVD dans lequel la quantité d’oxygène introduite pendant le processus de dépôt pouvait être soigneusement contrôlée. Les étudiants en doctorat Xingzhou Yan et Jacob Amontree ont poursuivi le travail de DiMarco et ont encore amélioré le système de croissance. Ils ont découvert que lorsque les traces d’oxygène étaient éliminées, la croissance CVD était beaucoup plus rapide et donnait les mêmes résultats à chaque fois.
Des résultats prometteurs pour l’avenir
La qualité des échantillons de graphène produits par OF-CVD s’est avérée pratiquement identique à celle du graphène exfolié. En collaboration avec des collègues du département de physique de Columbia, leur graphène a montré des preuves frappantes de l’effet Hall quantique fractionnaire sous des champs magnétiques, un phénomène quantique qui n’avait été observé auparavant que dans des systèmes électriques bidimensionnels de très haute qualité.
À partir de là, l’équipe prévoit de développer une méthode pour transférer proprement leur graphène de haute qualité du catalyseur de croissance métallique à d’autres substrats fonctionnels tels que le silicium, la dernière pièce du puzzle pour tirer pleinement parti de ce matériau exceptionnel.
Amontree et Yan déclarent : « Nous sommes tous deux fascinés par le graphène et son potentiel depuis nos études de premier cycle. Nous avons mené d’innombrables expériences et synthétisé des milliers d’échantillons au cours des quatre dernières années de nos doctorats. Voir cette étude aboutir est un rêve devenu réalité. »
Légende illustration : Le laboratoire Hone de Columbia Engineering a créé plus de 100 échantillons de graphène identiques grâce à sa méthode de dépôt chimique en phase vapeur sans oxygène. Crédit : Jacob Amontree & Christian Cupo, Columbia University
Article : « Reproducible graphene synthesis by oxygen-free chemical vapor deposition » – DOI: 10.1038/s41586-024-07454-5
