Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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La famille des nanocarbones s’agrandit : les diamanoïdes

Une solution aux limitations du graphène en électronique

par Evelyne Prevots - publié le

Les diamanoïdes sont des films nanométriques de carbone sp3 dont la formation possible par hydrogénation de graphène (carbone sp2) a été prédite en 2009. Ils présentent un gap variable en fonction du nombre de couches, ce qui permet de pallier un défaut majeur des graphènes, qui ont un gap nul, ce qui handicape leur utilisation en électronique. Une collaboration entre le Laboratorio Nanociencias de la PUCMM (République Dominicaine), le CEMES et le LPCNO (Toulouse), et l’Université de Manitoba (Canada) a abouti à la synthèse démontrée de films de diamanoïdes.

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(a) et (b) : Modèle (marron = C ; rosé = H) d’une portion d’un film hybride diamanoïde/graphène à 6 couches (deux couches L2 puis L1 sont à rajouter sous L4). (c) La structure de L1 + L2 est ici celle du diamant vue selon [111]. L3 et L4 sont graphéniques, mais L2 présente des liaisons pz pendantes (en jaune dans (b)) qui interagissent fortement avec L3.

Le composant de base de l’électronique étant le transistor, celle-ci requiert essentiellement des matériaux semi-conducteurs, pour lesquels la différence d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction (appelée gap) est modérée, permettant de faire passer à volonté des électrons de l’une dans l’autre par l’application d’un champ électrique externe.

La forme diamant du carbone (hybridation sp3) est un isolant électrique car son gap est élevé ( 5 eV), ce qui ne permet pas aux électrons des atomes de contribuer à la conductivité électrique du matériau. D’un autre côté, la forme graphénique du carbone (hybridation sp2) a un gap nul, ce qui rend le matériau conducteur électrique. Aucune de ces deux formes, donc, ne convient pour l’électronique, malgré les espoirs qu’a suscités le graphène dans le domaine.

En 2007, a été prédite l’existence stable d’une forme hydrogénée du graphène, le graphane, qui consiste en une couche monoatomique de carbones sp3, chacun lié à un hydrogène disposé alternativement d’un côté ou de l’autre de la couche d’atomes de carbone. En 2009, il a également été prédit que l’hydrogénation d’un graphène bicouche pouvait provoquer la conversion des carbones sp2 initiaux en carbones sp3, résultant en un matériau bicouche stable dans lequel un carbone sur deux d’une couche est lié à un hydrogène côté surface, les autres étant liés à un carbone de la couche qui lui est superposée. Ce matériau a été appelé diamane, et peut adopter soit la structure cubique faces centrées du diamant si la séquence d’empilement des deux graphènes initiaux est de type AB (comme dans le graphite), soit la structure hexagonale de la lonsdaleite si la séquence d’empilement initiale est AA. Si le graphène initial est de N couches, Il a été prédit que la conversion sp2àsp3 consécutive à l’hydrogénation des couches externes induit suffisamment de contraintes pour que la conversion d’hybridation se propage aux couches internes, résultant en un matériau de structure soit diamant, soit lonsdaleite, sous forme d’un film d’épaisseur nanométrique aux deux surfaces hydrogénées. Un tel matériau, appelé diamanoïde, est d’un grand intérêt pour l’électronique car il présente un gap modulable en fonction de N (e.g., 3 eV pour N = 2, 2.5 eV pour N = 5). Cependant, jusqu’à présent, aucune tentative de synthèse de tels matériaux n’a été probante.

Une collaboration entre le Laboratorio Nanociencias de la Pontificia Universidad Catolica Madre y Maestra (République Dominicaine), le CEMES et le LPCNO (Toulouse), et l’Université du Manitoba (Canada) est parvenue à la première synthèse univoque de films de diamanoïdes, ainsi que de matériaux hybrides diamanoïde/graphène, par une méthode d’hydrogénation à basse température et basse pression (brevet PUCMM). La nature hydrogénée des surfaces ainsi que la structure interne complexe des matériaux obtenus ont été démontrées en comparant les données de la modélisation aux données expérimentales obtenues par spectroscopie Raman (visible et UV), microscopie Infrarouge, et diffraction électronique à basse énergie (5 keV). L’étape suivante consistera à démontrer la réalisation de diamane en partant de graphène bicouches, sitôt qu’un tel matériau de qualité sera disponible.

 

 

Références

Piazza F., Gough K., Monthioux M., Puech P., Gerber I., Wiens R., Paredes G., Ozoria C. (2019) Low temperature, pressureless sp2 to sp3 transformation of ultrathin, crystalline carbon films. Carbon 145, 10-22.

Piazza F., Monthioux M., Puech P., Gerber I. (2019) Towards a better understanding of the structure of diamanoïds and diamanoïd/graphene hybrids. Carbon (under review) – arXiv #1907.09033.

 

Contacts

Dr. Pascal PUECH, Dr. Marc MONTHIOUX