Le graphène est déjà connu pour son incroyable résistance, malgré son épaisseur d'un seul atome. Comment le rendre encore plus résistant ? En le transformant en feuilles de diamant, bien sûr. Des chercheurs sud-coréens ont mis au point une nouvelle méthode permettant de convertir le graphène en couches de diamant ultra-fines, sans recourir à une pression élevée.
Le graphène, le graphite et le diamant sont tous constitués de la même matière – le carbone – mais la différence réside dans la manière dont les atomes de carbone sont disposés et liés entre eux. Le graphène est une feuille de carbone épaisse d'un seul atome, reliée horizontalement par de fortes liaisons. Le graphite est constitué de feuillets de graphène empilés les uns sur les autres, avec des liaisons fortes à l'intérieur de chaque feuillet, mais des liaisons faibles reliant les différentes feuilles. Dans le diamant, les atomes de carbone sont beaucoup plus fortement liés en trois dimensions, créant un matériau incroyablement dur.
Lorsque les liaisons entre les couches de graphène sont renforcées, il peut se transformer en une forme bidimensionnelle de diamant appelée diamane. Le problème est que cette opération est généralement complexe. Une méthode nécessite des pressions extrêmement élevées, et dès que cette pression disparaît, le matériau redevient graphène. D'autres études ont ajouté des atomes d'hydrogène au graphène, mais cela rend difficile le contrôle des liaisons.
Pour cette nouvelle étude, des chercheurs de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) et de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST) ont remplacé l'hydrogène par du fluor. L'idée est qu'en exposant le graphène bicouche au fluor, les deux couches se rapprochent et forment des liaisons plus solides.
L'équipe a commencé par créer du graphène bicouche grâce à la méthode éprouvée du dépôt chimique en phase vapeur (CVD), sur un substrat de cuivre et de nickel. Elle a ensuite exposé le graphène à des vapeurs de difluorure de xénon. Le fluor présent dans ce mélange adhère aux atomes de carbone, renforçant ainsi les liaisons entre les couches de graphène et créant une couche ultrafine de diamant fluoré, appelée F-diamane.
Le nouveau procédé est bien plus simple que d'autres, ce qui devrait faciliter son développement à grande échelle. Des feuilles de diamant ultrafines pourraient permettre de fabriquer des composants électroniques plus résistants, plus petits et plus flexibles, notamment comme semi-conducteurs à large bande interdite.
« Cette méthode simple de fluoration fonctionne à température proche de la température ambiante et sous basse pression sans utiliser de plasma ou de mécanismes d'activation de gaz, réduisant ainsi la possibilité de créer des défauts », explique Pavel V. Bakharev, premier auteur de l'étude.
Date de publication : 24 avril 2020