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Un tapis de fakir pour le graphène


Le graphène est un matériau constitué d’une monocouche d’atomes de carbone arrangés suivant un réseau périodique hexagonal. Il est connu pour ses propriétés électroniques remarquables mais aussi pour sa résistance mécanique exceptionnelle combinée à une très grande souplesse. Nous avons exploité ces deux dernières propriétés en déposant une feuille de graphène sur un réseau carré de pointes nanomètriques gravées dans une couche d’oxyde de silicium. Des comportements très différents sont observés suivant le pas du réseau créé. Le graphène peut rester suspendu et plan, s’appuyant uniquement sur les pointes ou au contraire épouser la forme des pointes et du substrat sans jamais se déchirer et en constituant un réseau régulier de plis. L’exploration des propriétés électroniques de de ce graphène soumis à un potentiel périodique artificiel est en cours.

Les nanopilliers ont une forme conique ou cylindrique et font typiquement quelques dizaines de nanomètres de diamètre et quelques centaines de nanomètres d’épaisseur. Ils ont été fabriqués par gravure ionique réactive dans une couche d’oxyde de silicium avec un masque constitué de nanoplots d’aluminium. Le graphène que nous avons utilisé est fabriqué en grande surface par décomposition à haute température d’un mélange méthane hydrogène, sur un substrat en cuivre qui joue le rôle de catalyseur. Le graphène est transféré sur le réseau de nanopilliers par l’intermédiaire d’un film de polymère. Des comportements très différents sont observés par microscopie électronique et microscopie à force atomique, suivant la valeur du pas du réseau, a, qui varie entre 0.3 et 4 microns.



Figure : Graphène transféré sur un réseau de nanopilliers. (a) Schéma de principe. (b) Image en microscopie à force atomique. (c) Schéma montrant les différentes conformations du graphène après transfert. Pour un réseau dense (a < a*), le graphène est suspendu. Pour un réseau moins dense, le graphène épouse la forme du substrat et des piliers avec la formation de plis. (d) et (e) Images en microscopie électronique, les barres d’échelle correspondent à 2 microns.

Nous avons pu mettre en évidence l’existence d’une longueur caractéristique a* de l’ordre du micron pour ce pas. Pour a < a* le graphène reste suspendu et plan, reposant juste sur les pointes du tapis de Fakir. Pour a>a*, le graphène au contraire adhère presque parfaitement à l’ensemble du substrat et épouse la forme des pointes sans pour autant se déchirer. Il en résulte une forte contrainte au niveau de chaque pointe et une déformation des hexagones de graphène qui a pu être visualisée par spectroscopie Raman. Une partie de la contrainte est aussi absorbée dans des plis orientés selon les axes cristallographiques du réseau de nanopilliers avec une structure périodique. La formation de ces plis et leur densité résultent d’une compétition entre l’énergie élastique du graphène et l’énergie d’attraction vers le substrat (liée aux forces électrostatiques, de Van der Waals ou de mouillage mises en jeu au cours du dépôt).

Nous avons donc au cours de ce travail appris à maîtriser toute une panoplie de nanostructures permettant de modifier profondément les propriétés électroniques du graphène soit en créant un potentiel électrostatique de soit en créant un réseau de contraintes assimilable dan certains cas à une texture magnétique. Des expériences de transport et des mesures magnétiques sont en cours pour explorer ce « nouveau graphène ».

Contact :
Hélène Bouchiat

Référence :
Strain Superlattices and Macroscale Suspension of Graphene Induced by Corrugated Substrates
Antoine Reserbat-Plantey, Dipankar Kalita, Zheng Han, Laurence Ferlazzo, Sandrine Autier-Laurent, Katsuyoshi Komatsu, Chuan Li, Raphaël Weil, Arnaud Ralko, Laëtitia Marty, Sophie Guéron, Nedjma Bendiab, Hélène Bouchiat, and Vincent Bouchiat
Nano Letters 113, 128305, (2014).