Elucidation de la structure d’une feuille suspendue de graphène

Une équipe composée de physiciens de l’Université de Manchester, de l’Institut Max Planck de Stuttgart (Allemagne) et l’Université de Nijmegen (Pays-Bas) est parvenue à élucider la structure d’une monocouche de graphène supportée par un échafaudage microscopique. Graphène est le nom donné à une monocouche plate d’atomes de carbone assemblés sous forme de réseau cristallin en nid d’abeille. Il s’agit d’un des éléments de base d’autres formes du carbone : la feuille peut être enveloppée pour former des fullerènes (C60), roulée pour obtenir des nanotubes à une dimension ou empilée avec d’autres pour donner du graphite en trois dimensions (la classique mine de crayon…). Le graphène est étudié théoriquement depuis plus de 60 ans et est largement utilisé pour décrire les propriétés de différents matériaux à base de carbone.

La théorie indique que des cristaux à deux dimensions ne peuvent exister sous forme isolée : en effet, la température de fusion de couches minces décroît rapidement en même temps que l’épaisseur et les films deviennent instables, c’est-à-dire s’agrègent sous formes d’îlots ou se décomposent, lorsque leur épaisseur atteint typiquement une dizaine de couches atomiques. Pour cette raison, on a longtemps pensé que les monocouches atomiques de graphène ne pouvaient exister que comme partie inhérente de structures à trois dimensions, généralement obtenues par croissance épitaxiale sur des substrats monocristallins présentant des paramètres de réseau semblables à ceux du graphène. Mais en 2004, les chercheurs de l’Université de Manchester, en collaboration avec des collègues russes de l’Institut de Microélectronique de Chernogolovka (Russie), sont parvenus à extraire des monocouches atomiques de graphène stables, très flexibles et robustes. De plus l’excellente qualité du cristal assure que les électrons peuvent voyager sur des longues distances sans être diffusés sur des défauts : en l’absence de champ magnétique, leur masse effective nulle et leur vitesse peut atteindre 106 km/s. Quoi que cette vitesse soit trois cents fois inférieure à la vitesse de la lumière, elle fait tout de même du graphène un formidable conducteur électrique. Le matériau pourrait alors être utilisé pour une gamme d’applications…, pour peu que l’on puisse utiliser les monocouches de graphène sous leur forme isolée.

L’équipe germano-britannico-hollandaise a réussi à fabriquer une feuille de graphène en suspension libre pour la première fois.

Comment fabriquer des feuilles de graphène isolées suspendues ?
Pour cela, les physiciens ont préparé, par clivage micromécanique, des écailles de graphène sur un wafer1 de silicium oxydé (l’épaisseur de la couche de silice est de 300 nm). La nature des écailles monocouches a été déterminée par microscopie optique, grâce à un changement de couleur par rapport à la surface de silice, et a été confirmée, en cas de doute, par microscopie par force atomique. Une grille métallique (3 nm de Chrome et 100 nm d’Or) a été ensuite déposée par lithographie par faisceau d’électrons sur une écaille préalablement choisie. Le substrat a alors été clivé de telle sorte que son bord se situe à moins de 50 microns de l’écaille. Les échantillons ont ensuite été chauffés à 60 °C durant plusieurs heures dans une solution à 15 % d’hydroxyde de tétraméthylammonium, qui dissout le silicium massif en dégageant la grille. L’échantillon est retiré de la solution lorsqu’une partie de la grille se trouve en surplomb du silicium massif. Puis la couche de silice restante est dissoute par un séjour de 5 minutes dans une solution tamponnée à 6 % d’acide fluorhydrique. Les échantillons sont ensuite nettoyés et séchés.

Pourquoi les feuilles de graphène à l’état libre sont-elles stables ?
Les physiciens ont utilisé la microscopie électronique par transmission, en modes image et diffraction, pour étudier la structure des feuilles de graphène. Ils ont alors observé que les pics de diffraction s’élargissent, de façon isotropique et sans changement d’intensité totale, lorsque l’échantillon est incliné sous le faisceau d’électrons. Cet élargissement est caractéristique des monocouches de graphène : il s’affaiblit pour les bicouches et disparaît complètement pour des échantillons multicouches. Les scientifiques émettent l’hypothèse que ce comportement s’explique par le fait que les feuilles de graphène ne sont pas parfaitement planes : l’orientation de la normale à la surface varie de plusieurs degrés et les déformations hors plan peuvent atteindre 1 nm. Selon l’équipe, ces ordres de grandeur sont confirmés par les images très haute résolution des membranes réalisées grâce à un microscope Titan. Les observations à très haute résolution montrent également que les ondulations des monocouches sont statiques ; en effet, des modifications ayant lieu durant l’exposition au faisceau d’électrons produiraient un flou et la disparition du contraste additionnel apporté par les fluctuations de la surface.

Théoriquement, les cristaux atomiques parfaits à deux dimensions ne peuvent exister, à moins qu’ils ne soient de taille limitée ou qu’ils ne contiennent de nombreux défauts cristallins. Selon les physiciens, les ondulations observées dans la 3ème dimension pour une monocouche de graphène à deux dimensions donnent un autre moyen de réconcilier la grande qualité du graphène avec sa stabilité thermodynamique.

Les chercheurs notent aussi que la présence d’ondulations élastiques est consistante avec les mobilités de porteurs élevées observées pour le graphène et pourrait expliquer quelques unes de ses propriétés de transport inhabituelles, comme la suppression de la localisation faible.


Quelles sont les applications envisageables pour les feuilles de graphène ?

Leurs excellentes propriétés de conduction électrique feraient de ces membranes des candidats de choix pour la fabrication de commutateurs électroniques ultra-rapides.

Elles pourraient également être utilisées comme substrat presque transparent pour la microscopie électronique en haute résolution ou pour le filtrage d’atomes ou de petites molécules à travers des anneaux benzéniques de taille atomique. Elles pourraient également être envisagées pour toute technologie qui tirerait profit de substrats ultrafins, transparents et robustes, comme les dispositifs nanomécaniques par exemple.



Sources : Nature, Vol. 446, 1er mars 2007, p.60 ; Nature Materials, Vol. 6, mars 2007, p. 183 ; Science, Vol. 306, 22 octobre 2004, p. 666 ; NanotechWeb, 28/02/07 ; Université de Manchester, 1/03/07 ; « Le graphène se gondole sous champ magnétique », Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris-Sud 11


Auteur : Dr Anne Prost

publié le 09/07/2008

haut de la page