Des scientifiques russes ont découvert pourquoi, au lieu de simplement brûler à des températures élevées, l’oxyde de graphène ouvre la porte à une méthode de production de graphène prometteuse et peu coûteuse. La recherche a été publiée dans la revue Carbone.
Cela fait plus d’une décennie que le prix Nobel a été décerné pour la recherche expérimentale sur le graphène, mais les scientifiques n’ont toujours pas trouvé le moyen d’obtenir du graphène de grande surface de haute qualité, qui serait bon marché, efficace et évolutif pour les besoins industriels. La réduction du graphène à partir d’oxyde de graphène par irradiation laser apparaît comme une voie prometteuse : avec l’oxyde de graphène produit à partir de graphite ordinaire par des méthodes chimiques, la technique de réduction assistée par laser est très prometteuse en termes de coût et de contrôlabilité de la qualité du matériau résultant.
Il y a quelques années, un groupe de chercheurs de Skoltech a découvert que le chauffage de l’oxyde de graphène à 3300-3800 K, même dans des conditions atmosphériques, pouvait produire du graphène d’assez bonne qualité.
« Le résultat a été une grande surprise pour nos collègues : la température était très élevée, mais ils ont obtenu un matériau bien structuré. Les matériaux carbonés brûlent facilement dans l’oxygène atmosphérique à 600-800 K ou plus, alors que dans l’expérience, à des températures beaucoup plus élevées, le graphène a acquis de bonnes propriétés structurelles », a déclaré Nikita Orekhov, directeur adjoint du laboratoire MIPT de méthodes de supercalculateurs en physique de la matière condensée. « Pour comprendre la raison de cet effet inattendu, nous avons décidé d’étudier le processus de réduction de l’oxyde de graphène à haute température à l’aide d’une modélisation atomistique de superordinateur et d’effectuer des recherches supplémentaires à la suite de la conception de l’expérience de nos collègues. »
Les chercheurs ont découvert que, d’une part, à des températures élevées (T > 3000 K), les atomes d’oxygène de l’environnement gazeux interagissent intensément avec le graphène, l’oxydant et le détruisant. D’autre part, le recuit rapide du réseau cristallin commence aux mêmes températures, ce qui permet d’éliminer les défauts. Pendant le recuit, la structure du treillis se redresse au lieu de s’effondrer.
« Il s’avère que deux processus opposés se produisent simultanément à différents endroits d’un matériau exposé à des impulsions laser : la combustion, ou la destruction, est localisée près des défauts et des limites des feuilles de graphène où les atomes de carbone sont les plus actifs chimiquement, tandis que le recuit se produit principalement dans le centre de la feuille où les atomes préfèrent se réinstaller dans une configuration stable », a déclaré Stanislav Evlashin, chercheur principal au Skoltech Center for Materials Technologies (CMT).
Les résultats ont mis en lumière le comportement de l’oxyde de graphène à des températures extrêmes, où des expériences simples sont difficilement possibles. Comprendre les processus décrits dans l’article peut aider à développer et à optimiser davantage les méthodes d’obtention de graphène de haute qualité avec des monocristaux de grande surface.
ND Orekhov et al, Mécanisme de réduction laser à l’oxyde de graphène dans des conditions ambiantes : étude expérimentale et ReaxFF, Carbone (2022). DOI : 10.1016/j.carbon.2022.02.018
Stanislav Evlashin et al, Réduction laser contrôlable des films d’oxyde de graphène pour les applications photoélectroniques, Matériaux appliqués et interfaces ACS (2016). DOI : 10.1021/acsami.6b10145