Des ions lourds pour couper et plier le graphène

L’extraction d’un plan cristallin unique d’un cristal de graphite constitue une feuille de graphène. Ce cristal de carbone bi-dimensionnel est aujourd’hui étudié de façon très approfondie du fait de ses conductances électrique et thermique exceptionnellement élevées ou encore de sa résistance mécanique. Pour réaliser les nombreuses applications envisagées (électronique ultra-rapide, matériaux renforcés,..), il reste à inventer des outils permettant de manipuler et façonner les feuillets de graphène. Les chercheurs du CIMAP auprès du GANIL à Caen, en collaboration avec les chercheurs de l’Université de Duisburg (Allemagne), viennent de montrer que le graphène peut être coupé et plié par irradiation sous incidence rasante avec un ion lourd. Alors que l’irradiation conduit usuellement à la formation de défauts étendus, sous la forme de traces latentes ou de nanostructures de surface, la découpe des feuilles de graphène ainsi obtenue est tout à fait originale.

André Geim et Konstantin Novoselov ont reçu le Prix Nobel de Physique en 2010 pour leurs « expériences inédites sur le graphène, matériau à deux dimensions ». Ce matériau ouvre en effet, par sa structure en cristaux de carbone bidimensionnels, de nombreuses perspectives pour l’électronique rapide ou l’élaboration de nouveaux matériaux aux propriétés électroniques et/ou mécaniques exceptionnelles. Pour réaliser ces applications potentielles, reste encore à inventer les moyens de façonner ces feuillets, et les chercheurs du CIMAP montrent les possibilités offertes par l’irradiation aux ions lourds.

Un effet typique d’un ion rapide (0.5 à 5 MeV/nucléon, ligne IRRSUD et ligne SME du GANIL) sous incidence rasante sur une surface est présenté sur la figure ci-contre : l’impact de l’ion entraîne la génération d’une ligne de bosses nanométriques régulièrement espacées qui sont aisément observables par des méthodes d’études surfaciques, comme la microscopie à force atomique. La distance entre les bosses ainsi que la longueur totale de la ligne sont fortement liées à l’angle d’incidence du projectile. C’est donc une méthode pour réaliser des structures régulières de surface qui sont formées autour du point d’impact de chaque ion [1].

Ces lignes de bosses sont une manifestation de la trace latente, induite par les excitations électroniques au passage du projectile, projetée dans le plan de surface. Cette projection est limitée à une certaine profondeur essentiellement fonction du matériau. La profondeur maximale, est typiquement de 3 nm pour le graphite [3] et 8 nm pour le SrTiO3 [2]. Par un modèle 3d à deux distributions de températures (une pour les électrons et l’autre pour le cristal), il a été montré que ces bosses sont situées au niveau de la projection des maxima de densité électronique sur le trajet du projectile [2].

Nanostructuration d’une surface de SrTiO3 par des ions rapides en a) incidence normale et b) incidence rasante [4].

Poursuivant l’étude de ces processus de nano-structuration sur la surface, nous avons étudié le système composé de monocouches de graphène déposées sur un substrat (de SrTiO₃ ou SiO₂). De façon atypique, on observe que l’irradiation aux ions rapides sous incidence rasante (1°) produit des coupures et pliages de la feuille de graphène. Le graphène est coupé selon la direction du faisceau, et chaque bord de coupe se replie sur lui-même, comme une ouverture de fenêtre [4] (voir figure).

La comparaison de la résistance à la rupture du graphène aux contraintes induites par la formation de la ligne de bosses dans le support sous-jacent montre que ce simple effet mécanique ne suffit pas à couper la feuille de graphène Il est indispensable que le passage de l’ion génère initialement une ligne de défauts dans le graphène pour affaiblir la couche. La longueur de la découpe est fonction de l’angle d’incidence et est actuellement limitée par la taille des feuilles de Graphène (plusieurs µm²).

Au delà de la mise en évidence du comportement mécanique très original du graphène sous irradiation, ce résultat pourrait être utile au développement des nombreuses applications envisagées de ce nouveau matériau carboné. Les études sont menées en étroite collaboration entre le CIMAP et l’Université Duisburg-Essen (Allemagne).

Coupage et pliage du Graphène sur SrTiO3 induit par l’irradiation d’ions de 129Xe23+ (93 MeV, 0.71 MeV/nucléon), sous incidence rasante de 1° [4].

Références :

[1] Creation of multiple nanodots by single ions
E. Akcöltekin, T. Peters, R. Meyer, A. Duvenbeck, M. Klusmann, I. Monnet, H. Lebius et M. Schleberger,
Nature nanotechnology, 2 (2007) 290.

[2] Swift heavy ion irradiation of SrTiO₃ under grazing incidence
E. Akcöltekin, S. Akcöltekin, O. Osmani, A. Duvenbeck, H. Lebius et M. Schleberger
New Journal of Physics 10 (2008) 053007.

[3] Scanning probe microscopy investigation of nanostructured surfaces induced by swift heavy ions
S. Akcöltekin, E. Akcöltekin, M. Schleberger et H. Lebius
J. Vac. Sci. Technol. B 27, (2009) 944.

[4] Unzipping and folding of graphene by swift heavy ions
S. Akcöltekin, H. Bukowska, T. Peters, O. Osmani, I. Monnet, I. Alzaher, B. Ban d’Etat, H. Lebius et M. Schleberger
Applied Physics Letters 98 (2011) 103103.

Contact CIMAP : Henning LEBIUS.

Collaboration :

CIMAP : H. Lebius, I. Monnet, B. Ban d’Etat, A. Cassimi
Université de Duisburg-Essen : S. Akcöltekin, H. Bukowska, T. Peters, O. Osmani, M. Schleberger.