Depuis la découverte de la forme bidimensionnelle du graphite (appelée graphène) il y a près de vingt ans, l’intérêt pour les matériaux 2D et leurs propriétés physiques particulières a explosé. Célèbre, le graphène a été produit en exfoliant le graphite en vrac à l’aide de ruban adhésif. Même si c’était assez bon pour un prix Nobel, cette méthode a ses inconvénients.
Une équipe internationale de spécialistes des surfaces a maintenant développé une méthode simple pour produire de grands échantillons 2D très propres à partir d’une gamme de matériaux en utilisant trois substrats différents. Leur méthode, la synthèse monocouche cinétique in situ (KISS) est décrite dans la revue Sciences avancées le 1er juin.
Les matériaux bidimensionnels ont des propriétés physiques qui ne sont pas partagées par les matériaux en vrac. Le confinement des porteurs de charge en est une des raisons. Il existe deux façons de produire ces matériaux 2D : exfolier un cristal plus gros ou faire croître une couche 2D. L’exfoliation consiste à décoller les couches d’un cristal plus gros jusqu’à ce qu’il ne vous reste qu’une seule couche.
« Ce processus prend du temps et nécessite des compétences et des équipements spécifiques », explique Antonija Grubišić-Čabo, spécialiste des surfaces à l’Université de Groningen (Pays-Bas) et premier auteur de l’étude Sciences avancées papier. « De plus, il en résulte souvent de très petits flocons, tandis que le ruban adhésif utilisé peut laisser des polymères sur leurs surfaces. »
La croissance de films 2D est une autre approche. Cela permet la production de grands échantillons dans des conditions contrôlées. « Cependant, il faut souvent beaucoup de temps pour déterminer comment faire pousser de tels matériaux 2D. Et le processus ne donne pas toujours une couche parfaite », explique Grubišić-Čabo. Avec le dernier auteur Maciej Dendzik, elle a réuni une « équipe de rêve » de collègues, dont beaucoup avaient déjà travaillé ensemble à l’Université d’Aarhus (Danemark) en tant que Ph.D. étudiants, de développer une technique simple de production de matériaux 2D.
« Nous connaissions certaines expériences dans lesquelles des films d’or étaient utilisés pour exfolier des matériaux en vrac. Mais celles-ci étaient principalement réalisées dans l’air, ce qui signifie que cette technique n’est pas très adaptée aux matériaux sensibles à l’air ou à la recherche en sciences des surfaces », a déclaré Grubišić-Čabo. Remarques.
L’équipe voulait une technique qui permettrait la production de matériaux 2D sensibles à l’air sur une gamme de substrats. Lors de leur première tentative, ils ont utilisé un cristal d’or dans une chambre à vide poussé. « Nous avons essentiellement claqué le cristal sur un matériau en vrac et découvert qu’une belle couche 2D collait à l’or », explique Grubišić-Čabo. Pourquoi cela se produit n’est pas encore clair, mais l’équipe soupçonne que le lien avec l’or est plus fort que la force de Van der Waals qui maintient ensemble les couches du cristal en vrac.
Ils ont mis à profit cette première expérience, ajoutant un ressort à la scène avec le matériau en vrac qui agit comme un amortisseur et permet ainsi un meilleur contrôle de l’impact du cristal d’or. De plus, l’équipe a montré que l’argent et le germanium semi-conducteur pouvaient être utilisés comme substrat pour décoller des matériaux 2D.
« Les cristaux d’or sont une caractéristique standard des laboratoires de science des surfaces, où ils sont utilisés dans l’étalonnage des instruments, par exemple. Les scientifiques n’aiment pas endommager ces cristaux, mais cela ne s’est pas produit dans ces expériences », explique Grubišić-Čabo. . « Et nous avons depuis modifié le protocole pour utiliser des films minces en or monocristallin. Cela a l’avantage supplémentaire de pouvoir dissoudre l’or afin que nous puissions isoler l’échantillon 2D, tant qu’il est stable dans l’air ou dans un liquide. »
Ces échantillons isolés pourront être utilisés pour la prochaine étape : construire des dispositifs à partir des matériaux 2D qui seront produits grâce à la technique KISS. « Ce n’est pas encore possible, mais nous y travaillons », déclare Grubišić-Čabo. « Donc, ce que nous avons, c’est une technique pour produire de grands échantillons 2D très propres et très simples, ce qui nous permet de créer des matériaux 2D sensibles à l’air. De plus, notre technique utilise un équipement standard qui est présent dans pratiquement toutes les sciences des surfaces. laboratoire. »
Plus d’information:
Antonija Grubišić-Čabo et al, Méthode d’exfoliation in situ des matériaux 2D de grande surface, Sciences avancées (2023). DOI : 10.1002/advs.202301243