Une équipe de chercheurs a mis au point une nouvelle méthode d’exfoliation des flocons de MoS2 qui produit des flocons très gros et très fins avec un rendement élevé. L’exfoliation assistée par micro-ondes donne 50 fois plus de flocons que ceux obtenus par ultrasons et donne une qualité de matière comparable à l’exfoliation mécanique. Ce processus rapide nécessite un traitement minimal et promet de permettre de nouvelles applications dans les dispositifs électroniques et photoniques.
MoS2 est un dichalcogénure de métal de transition, un matériau intéressant dans le domaine de l’électronique pour sa large gamme de propriétés physiques allant du semi-métallique aux semi-conducteurs, supraconducteurs ou isolants, selon ses dimensions. Le nombre de couches empilées est crucial pour déterminer ces propriétés. La monocouche MoS2, par exemple, présente une bande interdite directe de 1,90 eV, tandis que le 2H-MoS2 massif présente une bande interdite indirecte de 1,23 eV. Ces propriétés personnalisables en font des candidats idéaux pour les applications. Cependant, l’obtention de flocons de MoS2 de grande surface et de haute qualité s’est avérée difficile.
Les méthodes d’exfoliation en phase liquide existantes ont de faibles rendements et entraînent souvent de larges distributions d’épaisseur, ce qui rend difficile l’obtention de monocouche et de quelques couches de 2H-MoS2. Pour tenter d’améliorer les rendements, les chercheurs ont exploré d’autres techniques, notamment le broyage à billes, l’exfoliation électrochimique et l’exfoliation par dynamique des fluides. Cependant, ces méthodes présentent des problèmes d’évolutivité ou produisent du 1T-MoS2 métallique, qui a des propriétés et des applications différentes.
L’équipe, dirigée par les professeurs Víctor Sebastián et Jesús Santamaría de l’Institut des nanosciences et des matériaux de Saragosse (INMA, CSIC-UNIZAR), et le professeur Emilio M. Pérez de l’Institut madrilène d’études avancées en nanosciences (IMDEA Nanociencia), tous deux en Espagne, ont testé une nouvelle méthode assistée par micro-ondes pour exfolier les flocons de MoS2. Ils ont constaté que la méthode produisait un matériau bien exfolié avec des tailles latérales comparables à celles obtenues par exfoliation mécanique. Le rendement du processus est environ 50 fois supérieur à celui des méthodes d’exfoliation par ultrasons. Elle permet d’obtenir une qualité de matériau comparable à l’exfoliation mécanique, dont les écailles sont similaires à celles obtenues par ce procédé mais avec un rendement incomparablement supérieur (l’exfoliation mécanique est en fait réalisée écaille par écaille). Le processus est rapide, ne prend que quelques minutes et nécessite un traitement minimal.
Cette méthode prend le meilleur des deux mondes (exfoliation en phase mécanique et liquide), améliorant les résultats de chaque cas en termes d’épaisseur, de taille latérale, de rendement et de temps de traitement. La méthode des chercheurs représente une avancée significative dans le domaine de l’exfoliation du MoS2, offrant un processus à haut rendement, rapide et assisté par micro-ondes qui produit des flocons de MoS2 bien exfoliés et à quelques couches. La méthode a le potentiel de permettre de nouvelles applications de MoS2 dans les dispositifs électroniques et photoniques. Il a été appliqué au MoS2, mais il pourrait être utilisé pour exfolier tout matériau doté de capacités d’absorption élevées des micro-ondes, ce qui constitue une approche polyvalente dans le domaine des matériaux émergents bidimensionnels (2D). Les chercheurs prévoient d’approfondir la méthode, en explorant plus en détail son évolutivité et ses applications potentielles.
Les professeurs Sebastián et Pérez disent que la chose la plus excitante à propos de vos résultats est « … la taille latérale des flocons. Les matériaux 2D doivent être très fins, bien sûr, et c’est tout l’intérêt des méthodes d’exfoliation, mais c’est souvent On oublie que pour la plupart des applications, on veut aussi qu’elles soient grandes en taille latérale.Mais obtenir des flocons à la fois gros et fins, ainsi qu’avec un rendement élevé, n’est pas facile, car toutes les méthodes d’exfoliation se résument à ajouter une certaine forme d’énergie au matériau en vrac, pour surmonter les interactions de van der Waals entre les couches. Et il est difficile d’empêcher cette même énergie de causer des dommages latéraux en même temps. Notre méthode parvient à utiliser des micro-ondes pour évaporer les molécules de solvant entre les couches, créant une haute pression entre eux très rapidement, de sorte qu’ils peuvent être séparés, mais ne sont pas endommagés. »
Interrogés sur les applications réelles potentielles de la méthode, les chercheurs répondent : « Les matériaux 2D en général, et les dichalcogénures de métaux de transition en particulier, sont prometteurs pour beaucoup de technologies (capteurs, électronique, etc.) mais évidemment tout commence de fabriquer ces matériaux de bonne qualité, idéalement en grande quantité, et à moindre coût. C’est là que notre travail peut contribuer. Il ne s’agit pas d’un pas vers une nouvelle technologie spécifique, mais plutôt d’un outil pour aider tout l’espoir déposé sur les matériaux 2D à devenir une réalité. »
L’étude est publiée dans la revue ACS Nano.
Plus d’information:
Ramiro Quirós-Ovies et al, Microwave-Driven Exfoliation of Bulk 2H-MoS2 after Acetonitrile Prewetting Produces Large-Zone Ultrathin Flakes with Exceptionly High Yield, ACS Nano (2023). DOI : 10.1021/acsnano.3c00280