Matériaux 2D : L'étoile montante de l'avenir
Introduction
Les matériaux 2D, ou matériaux monocouches, sont des matériaux constitués d'une seule couche d'atomes. D'un point de vue plus micro, les matériaux 2D sont des matériaux à l'échelle nanométrique. L'exemple le plus célèbre de matériau 2D est le graphène, composé d'allotropes de carbone dans une nanostructure à réseau hexagonal, qui a été isolé pour la première fois en 2004. La figure 1 montre la structure d'une couche de graphène.
Le graphène monocouche possède des propriétés uniques. Sa résistance à la traction est des centaines de fois supérieure à celle de la plupart des aciers en poids. Il possède également la plus grande conductivité thermique et électrique. En raison des superbes propriétés du graphène, de nombreuses études et chercheurs se sont attachés à développer d'autres réseaux de carbone à un atome, tels que le graphdiyne, le graphénylène et d'autres encore. Le graphène est devenu le pionnier du développement des matériaux 2D.
Figure 1 : Couche de graphène
Qu'est-ce qu'un matériau 2D ?
Si l'on considère les matériaux en trois dimensions, les matériaux 2D sont des matériaux qui n'ont qu'une seule dimension nanométrique. Les matériaux dont les trois dimensions sont nanométriques sont des matériaux 0D. Le tableau 1 présente un résumé des matériaux 0 à 3D [1].
Tableau 1: Matériaux de 0 à 3D avec exemples
|
Nombre de dimensions nanométriques |
Classification |
Exemple |
|
3 |
0D |
Points quantiques |
|
2 |
1D |
Nanotubes, nanofils, nanorubans |
|
1 |
2D |
Matériaux épais d'un seul atome tels que le graphène |
|
0 |
3D (en vrac) |
Matériaux généraux que l'on peut voir. |
Les matériaux 2D sont divisés en éléments, composés métalliques, organiques et sels. La figure 2 présente les structures et les classifications de différents matériaux 2D [2].
Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un isomorphe du graphène (il présente les mêmes microstructures que le graphène, comme le montre la figure 1, sauf que le carbone est remplacé par du bore et du nitrure).
Le MoS2 est l'un des dichalcogénures de métaux de transition (TMDC). La formule chimique des TMDC est MX2 (M est le métal de transition tel que Mn ; X est le chalcogène tel que S, Se et Te). Les TMDC forment des structures de liaison covalente tri-couche X-M-X.
En raison de leurs différentes propriétés mécaniques, électriques et optiques, les matériaux 2D sont largement utilisés dans différents domaines dont nous parlerons plus loin. Commençons par obtenir quelques informations sur la manière dont les matériaux 2D sont produits.
Figure 2: Types et structures de différents matériaux 2D [2]
Comment fabriquer des matériaux 2D ?
Les matériaux 2D sont des matériaux constitués d'une seule couche d'atomes. Il est possible d'amincir les matériaux en vrac, comme on le fait pour les jambons, mais le problème n'est pas si simple en raison des liaisons chimiques de certains matériaux en trois dimensions. La rupture de ces liaisons rend les couches minces très instables et chimiquement réactives. Le graphite est différent. En tant que matériau bidimensionnel, il n'a que des liaisons chimiques fortes à l'intérieur des plans, chaque plan se chevauchant pour former le graphite (voir la figure 3 [3]). Par conséquent, la stratégie décrite ci-dessus peut être utilisée pour fabriquer du graphène.
Figure 3 : Structure du graphite [3]
Il existe deux méthodes pour fabriquer des matériaux 2D : la méthode descendante et la méthode ascendante.
La méthode descendante consiste à découper des matériaux volumineux ou en vrac dans le cadre d'un processus contrôlé et à retirer les couches produites. Sa stratégie de base est décrite ci-dessus. La méthode descendante peut être divisée en exfoliations mécanique, en phase liquide, ultrasonique, électrochimique, par changement d'ions et par intercalation de lithium [2].
La méthode descendante utilise des éléments atomiques ou moléculaires et les "combine" pour former des matériaux 2D. La méthode ascendante utilise des matériaux plus petits que les matériaux 2D pour produire des matériaux 2D, comme des blocs de construction. Parmi les méthodes ascendantes, on trouve la croissance épitaxiale, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le dépôt par laser pulsé (PLD), les méthodes chimiques humides, les méthodes assistées par ondes radio ou la transformation topochimique [2].
L'exfoliation mécanique, l'exfoliation liquide et le dépôt chimique en phase vapeur sont couramment utilisés pour fabriquer des matériaux 2D.
Exfoliation mécanique
L'exfoliation mécanique utilise une force mécanique pour séparer une ou plusieurs couches minces d'un matériau en vrac. En général, un morceau de "ruban adhésif" est utilisé pour décoller le matériau en vrac et recueillir les couches minces. Pour toutes les méthodes descendantes, le principal problème consiste à surmonter les forces de Van der Waals entre chaque couche du matériau en vrac. En appliquant soigneusement la force normale et la force latérale pendant le processus de pelage, nous pouvons encore produire des matériaux 2D de haute qualité par exfoliation mécanique. Mais l'efficacité et le rendement faibles sont les principaux problèmes de l'exfoliation mécanique.
Exfoliation liquide
L'exfoliation liquide peut couvrir les inconvénients de l'exfoliation mécanique en utilisant un solvant organique comme intermédiaire pour transporter la force mécanique vers le matériau en vrac et la sonication donne une contrainte de traction à chaque couche, ce qui sépare chaque couche. Cependant, les matériaux 2D produits par exfoliation liquide peuvent présenter des résidus de solvant organique, ce qui les rend impropres à certaines applications optiques.
Dépôt chimique en phase vapeur
Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) permet de produire des matériaux 2D de haute qualité et à haut rendement dans des dimensions contrôlées. Dans un four chauffé, un ou plusieurs gaz précurseurs contenant des éléments atomiques ou moléculaires frappent un substrat et des matériaux 2D s'y développent. La CVD est utilisée avec succès pour produire du graphène et des TMDC. La pression des gaz, la température, le temps de réaction, etc. jouent un rôle important dans la qualité, l'épaisseur et la composition des matériaux 2D.
Pourquoi utiliser un matériau 2D et ses applications
Avantages du matériau 2D
Par rapport aux matériaux en vrac, les matériaux 2D n'ont pas de forces de Van der Waals en raison de leur structure monocouche. Les forces de Van der Waals sont des interactions entre atomes ou molécules qui dépendent de la distance. Si le matériau ne peut pas surmonter les forces de Van der Waals lorsqu'il est sollicité, il se cassera... Les liaisons covalentes partagent les électrons, ce qui signifie que le rapport entre la surface et le volume des atomes est fortement maintenu. Les matériaux 2D n'ont pas de forces de van der Waals mais seulement des liaisons covalentes, ce qui leur confère une très grande résistance à la traction. Le graphène est le matériau qui présente la plus grande résistance à la traction dans la nature.
La structure monocouche des matériaux 2D leur confère un rapport surface/volume relativement élevé. Il peut entrer en contact avec un plus grand nombre de réactifs afin d'accélérer les réactions. Les matériaux 2D présentent également de bonnes propriétés électroniques et optiques, car la réduction de la périodicité dans la direction perpendiculaire au plan modifie la structure des bandes.
Applications des matériaux 2D
Les matériaux 2D sont largement utilisés dans les transistors, les photodétecteurs, les semi-conducteurs, les condensateurs, les memristors et bien d'autres applications.
L'oxyde de graphène est souvent utilisé pour fabriquer des composites de fibres, de films ou de structures 3D en raison de sa grande dispersibilité. En combinant 50 % d'oxyde de graphène avec 50 % de nanofibrilles de cellulose (CNF), l'aérogel préparé présente une résistance et une rigidité supérieures à celles de l'aérogel de CNF pur [2].
Le rapport surface-volume élevé dugraphène réduit l'inflammabilité des gaz [2]. Le graphène peut donc être utilisé comme additif pour augmenter la résistance à l'inflammabilité des composites polymères et d'autres matériaux. Le graphène présente également de bonnes performances dans les memristors en raison de sa conductivité électrique élevée, de sa stabilité chimique et de sa grande mobilité des porteurs. Il joue un rôle important dans la commutation résistive dans des conditions de vitesse élevée et de longue durée. Les TMDC, BN ou BP peuvent également être utilisés dans les memristors.
Les TMDC(MoS2, WSe2, WS2) sont largement utilisés dans les transistors à effet de champ (FET), qui sont les éléments les plus importants de l'électronique. La bonne mobilité de charge et les bandes interdites modérées des TMDC les rendent appropriés pour les applications des transistors à effet de champ (FET) [2].
Les propriétés diélectriques exceptionnelles du film de h-BN permettent de combiner h-BN/Ge/métal dans les condensateurs.
Il existe de nombreuses applications et matériaux 2D qui ne sont pas mentionnés. Stanford Advanced Materials (SAM) propose différents types de matériaux 2D. Si vous souhaitez obtenir davantage d'informations sur les matériaux 2D, vous pouvez fournir vos informations d'application à notre personnel technique pour qu'il vous conseille.
Référence
- Matériaux 2D : Une introduction aux matériaux bidimensionnels. Ossila. (n.d.). Consulté le 28 janvier 2023 sur le site https://www.ossila.com/en-us/pages/introduction-2d-materials
- Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & ; Das, O. (n.d.). Revue de la synthèse, des propriétés et des applications des matériaux 2D. Revue de la synthèse, des propriétés et des applications des matériaux 2D. Consulté le 29 janvier 2023 sur le site https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031
- Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & ; Das, O. (n.d.). Revue de la synthèse, des propriétés et des applications des matériaux 2D. Revue de la synthèse, des propriétés et des applications des matériaux 2D. Consulté le 29 janvier 2023 sur le site https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031
