Le graphène est déjà reconnu 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 films de diamant ultrafins, sans recourir à la haute pression.
Le graphène, le graphite et le diamant sont tous composés de la même matière première – le carbone – mais la différence entre ces matériaux réside dans l'agencement et la liaison des atomes de carbone. Le graphène est une feuille de carbone d'une seule épaisseur atomique, les atomes étant liés horizontalement par de fortes liaisons. Le graphite est constitué de feuilles de graphène empilées les unes sur les autres, chaque feuille étant fortement liée par des liaisons, tandis que les liaisons entre les différentes feuilles sont faibles. Enfin, dans le diamant, les atomes de carbone sont liés beaucoup plus fortement dans les trois dimensions, créant ainsi un matériau d'une dureté exceptionnelle.
Lorsque les liaisons entre les couches de graphène sont renforcées, celui-ci peut se transformer en une forme bidimensionnelle de diamant appelée diamane. Le problème est que ce procédé est généralement difficile à réaliser. Une méthode requiert des pressions extrêmement élevées, et dès que cette pression est relâchée, le matériau redevient du graphène. D'autres études ont consisté à ajouter des atomes d'hydrogène au graphène, mais cela complique 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 que l'exposition du graphène bicouche au fluor rapproche les deux couches, créant ainsi des liaisons plus fortes entre elles.
L'équipe a commencé par créer du graphène bicouche par la méthode éprouvée du dépôt chimique en phase vapeur (CVD), sur un substrat de cuivre et de nickel. Ensuite, elle a exposé le graphène à des vapeurs de difluorure de xénon. Le fluor contenu dans ce mélange se fixe aux atomes de carbone, renforçant les liaisons entre les couches de graphène et créant une couche ultra-mince de diamant fluoré, appelé F-diamane.
Ce nouveau procédé est bien plus simple que les autres, ce qui devrait faciliter son passage à l'échelle industrielle. Des feuilles de diamant ultra-minces pourraient permettre de fabriquer des composants électroniques plus résistants, plus petits et plus flexibles, notamment en tant que semi-conducteur à large bande interdite.
« Cette méthode de fluoration simple fonctionne à une température proche de la température ambiante et sous basse pression, sans recours au plasma ni à aucun mécanisme d'activation gazeuse, réduisant ainsi le risque de création de défauts », explique Pavel V. Bakharev, premier auteur de l'étude.
Date de publication : 24 avril 2020