Étude théorique sur l’élimination des gaz toxiques

Les graphene et ses applications 

Stucture du graphène 

Le graphène, matériau bidimensionnel est une forme allotropique cristalline du carbone constituant l’élément structurel de base d’autres formes allotropiques, comme le graphite, les nanotubes de carbone (forme cylindrique) et les fullerènes (forme sphérique). Les nanomatériaux à base de carbone offrent des propriétés fascinantes du point de vue de fondamental et technologiqueque du faitde leur non-toxicité, leur stabilité chimique et thermique mais ainsi que leur robustes mécanique comme l’a rapporté Kumar et al. [16]. En plus ils ouvrent une nouvelle voix dans le domaine de la science de matériaux. Dans les dernières décennies les nanostructures à base de carbone en particulier le graphène comptent parmi les matériaux nanométriques qui offrent plus d’engouement dans le domaine de la recherche. Le graphène est une monocouche d’atomes de carbone organises dans une structure cristalline en nid d’abeille qui peut être considérée comme une seule surface atomique extraite du graphite. La Figure 1.1 ci-après illustre les différentes structures du carbone : le fullerène (0D), les nanotubes (1D), le graphène (2D) et le graphite (3D). 2-D: Graphène 2004 0- D:Fullerèn e 1986 1-D: Nanotubes de carbone 1991 3-D: Graphite 1500 23 Figure 1.1 : Les différentes formes du carbone. Le graphène est un matériau a deux dimension (2D) pour le matériau carbone de toutes les autres dimensions. Il peut être emballé dans dès le fullerène (0D), roulé dans des nanotubes 1D ou empilé dans du graphite 3D : source ([17]) 

 Méthodes de fabrication 

 Le graphène comme l’un des allotropes de carbone a été expérimentalement découvert en 2004 pour la première fois par Novoselov et al [18]. Il est l’élément constitutif de base de tous les matériaux « graphitiques » tels que le fullerène (0D), nanotube de carbone (1D) et graphite (3D) [19]. Depuis son isolement en 2010 par Geim et Novoselov dans leur brillant travail [20], le graphène continue de susciter d’immense d’intérêt du point de vue de la recherche. La commercialisation du graphène réside dans sa méthode de production, qui en détermine essentiellement sa rentabilité. Cependant, il existe actuellement de nombreuses façons de produire du graphène comme le montre la Figure 1.2. Figure 1.2 : Illustration schématique des principales techniques de production de graphène. (a) clivage micromécanique. (b) liaison anodique. (c) Photo exfoliation. d) phase liquide exfoliation. (e) Croissance sur SiC. Les sphères jaune et grise représentent les atomes de Si et de C, Clivage micromécanique Liaison anodique Synthèse chimique utilisant le benzène substrat Substrat de métal substrat Ablation laser et photo exfoliation Exfoliation en phase liquide Croissance sur le carbure de silicium Croissance sur métaux par précipitation Dépôt chimique en phase vapeur Épitaxie par jet moléculaire ruban adhésif Electrode positive substra t SiO2 Electrode negative +Chaleur Substrat de métal u Chaleur ltrason 24 respectivement. À température élevée, les atomes de Si s’évaporent (flèches), laissant une surface de carbone riche qui forme des feuilles de graphène. (f) Séparation / précipitation d’un substrat métallique contenant du carbone. (g) Dépôt chimique en phase vapeur. (h) moléculaire épitaxie par faisceau. (i) Synthèse chimique utilisant le benzène comme composant (cf. référence [21]).

 Clivage micromécanique 

 Comme il a été rapporté par Schultz et al. [22], que le Clivage micromécanique (CM), également appelé Exfoliation Micromécanique a été utilisé pendant des décennies par les producteurs de cristaux et les chercheurs. Selon Lu et al. [23] ont rapporté que le clivage micromécanique est maintenant optimisé pour produire des couches de haute qualité, avec une taille limitée pour les grains monocristallins du graphite de départ, de l’ordre du millimètre. Bien que CM ne soit pas pratique pour les applications à grande échelle, il reste la méthode de choix pour les études fondamentales. En effet, la grande majorité des résultats de base et des prototypes d’appareils ont été obtenus à l’aide de flocons CM. Ainsi, CM reste idéal pour étudier à la fois la nouvelle physique et les nouveaux concepts de dispositifs. 

 Liaison anodique

La liaison anodique est largement utilisée dans l’industrie microélectronique pour déposer le Si sur des plaquettes de verre [24] ainsi de les protéger de l’humidité ou des contaminations [25]. Shukla et al. [26] ont rapporté que la liaison anodique produisait des flocons atteignant environ un millimètre de largeur.

 Ablation laser et photo exfoliation 

L’ablation au laser consiste à utiliser un faisceau laser pour pulvériser les matériaux d’une surface solide. Si l’irradiation entraîne le détachement d’une couche entière ou partielle, le processus s’appelle photo exfoliation [27]. Le procédé est mieux mis en œuvre dans des conditions inertes ou sous vide [28] car l’ablation à l’air tend à oxyder les couches de graphène. Des résultats prometteurs ont récemment également été obtenus dans les liquides [

 Exfoliation en phase liquide 

 Le graphite peut également être exfolié dans des environnements liquides en utilisant des ultrasons pour détacher des couches individuelles. Le procédé d’exfoliation en phase liquide (LPE) comprend généralement trois étapes : 1) la dispersion de graphite dans un solvant ; 2) l’exfoliation ; 3) la 25 purification. La troisième étape est nécessaire pour séparer les flocons exfoliés des flocons non exfoliés et est généralement réalisée par ultracentrifugation. Lotya et al. [31] ont démontré une méthode pour disperser et exfolier le graphite afin d’obtenir du graphène en suspension dans des solutions de tensioactifs. 1

 Croissance sur le carbure de silicium

La décomposition thermique du carbure de silicium a récemment fait l’objet d’études approfondies comme voie prometteuse pour l’obtention de graphène de grande surface hautement reproductible et homogène pour les applications électroniques par Heer et al. [32]. Le principal avantage de la décomposition thermique du SiC par rapport aux autres techniques classiques est que les couches de graphène peuvent être directement obtenues sur un substrat semi-conducteur ou semi-isolant disponible dans le commerce. Selon Seyller et al [33] aucun transfert n’est donc nécessaire avant le traitement de dispositifs électroniques. Dans ce procédé, un échantillon de SiC disponible dans le commerce est recuit à haute température (plus de 1400 ° C) sous vide ou dans des conditions de pression atmosphérique. La pression de vapeur du carbone étant négligeable comparée à celle du silicium, à haute température, les atomes de silicium s’évaporent et laissent des atomes de carbone à la surface

Croissance sur métaux par précipitation

La croissance sur des substrats en métal de transition devient une méthode de choix pour préparer des feuilles de graphène de grande surface. Dans le cas du nickel, où le carbone a une solubilité importante, un tel processus de croissance comprend au moins deux étapes élémentaires la dissolution du carbone dans le métal et la précipitation du graphène à la surface. 

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) 

 Le dépôt chimique en phase vapeur comprend la réaction chimique au cours de laquelle les molécules de traitement sont chauffées et transformées en un état gazeux, appelé précurseur. Un substrat est diffusé à haute température sur des précurseurs à désintégration thermique. Il se dépose sur des couches minces, des précurseurs cristallins, solides, liquides ou gazeux à la surface du substrat. Le dépôt de graphène de haute qualité issu du procédé CVD est généralement effectué sur divers substrats en métal de transition, tels que le nickel (Ni) [34], le palladium (Pd) [35] et le cuivre (Cu) [36]. La croissance par dépôt chimique en phase vapeur du graphène a été principalement 26 réalisée sur le cuivre et des substrats de nickel [36]. Il existe de nombreux types de processus de CVD : thermique, plasma amélioré (PECVD), paroi froide, paroi chaude et réactif, etc. [36]. Ces processus ne seront pas discutés dans ce travail. 

 Épitaxie par jet moléculaire 

Une nouvelle méthode de croissance par épitaxie de jet moléculaire du carbone (CMBE) a été mise au point pour produire du graphène épitaxial de grande qualité et de grande surface. Cette méthode démontre une contrôlabilité nettement améliorée de la croissance du graphène. Selon Garcia et al. [37] des films de graphène en couches peu nombreuses sont développés en utilisant une technique de dépôt par faisceau moléculaire (MBD) sous ultra-vide, par évaporation de carbone atomique et recuit ultérieur des échantillons à 800–900 ° C. Ils ont développé des couches d’épaisseur graduée sont développées sur des substrats de silicium oxydé en forme de bande qui sont recouverts de films de nickel d’épaisseur 300 nm déposés par évaporation par faisceau d’électrons. En modifiant l’épaisseur des couches de carbone déposées continuellement de 70 Å à moins de 4 Å. Garcia et al [37] ont trouvé que des bandes de phonons optiques relativement étroites dans la spectroscopie Raman révèlent que des films de graphène multicouches de bonne qualité se forment à la surface du substrat de Ni. 

Synthèse chimique

D’après Wu et al. , le graphène peut également être synthétisé par voie chimique en assemblant des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), par le biais de réactions à médiation de surface .Deux approches peuvent être utilisées. Le premier exploite un précurseur dendritique transformé par cyclodéshydrogénation [35]. Cela produit de petits domaines, appelés nano-graphène (NG) [35]. La seconde repose sur la pyrolyse des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) . D’autres précurseurs à base de benzène, tels que le polyphénylènehyperramifiépoly-dispersé est aussi utilisé pour produire du graphème à grande échelle [37]. Fan et al. [39] proposent une nouvelle voie verte pour la synthèse du graphène transformable sur une grande échelle de production. Ils ont remarqué qu’une suspension de graphène stable pouvait être rapidement préparée en chauffant simplement une suspension de de l’oxyde de graphite (GO) exfoliée dans des conditions fortement alcalines à des températures modérées (50-90 8C) comme le montre la Figure 1.3.