Le graphite de haute qualité possède une excellente résistance mécanique, une grande stabilité thermique, une flexibilité élevée et une conductivité thermique et électrique très élevée dans son plan, ce qui en fait l'un des matériaux avancés les plus importants pour de nombreuses applications, comme les conducteurs photothermiques utilisés dans les batteries de téléphones. Par exemple, un type particulier de graphite, le graphite pyrolytique hautement orienté (HOPG), est l'un des matériaux les plus couramment utilisés en laboratoire. Ces excellentes propriétés sont dues à la structure lamellaire du graphite, où les fortes liaisons covalentes entre les atomes de carbone des couches de graphène contribuent à ses excellentes propriétés mécaniques, à sa conductivité thermique et électrique, tandis que la très faible interaction entre les couches de graphène lui confère une grande flexibilité. Bien que le graphite soit connu à l'état naturel depuis plus de 1 000 ans et que sa synthèse artificielle soit étudiée depuis plus de 100 ans, la qualité des échantillons de graphite, qu'ils soient naturels ou synthétiques, est loin d'être idéale. Par exemple, la taille des plus grands domaines monocristallins de graphite dans les matériaux graphitiques est généralement inférieure à 1 mm, ce qui contraste fortement avec la taille de nombreux cristaux comme les monocristaux de quartz et de silicium. La taille peut atteindre l'échelle du mètre. La très petite taille du graphite monocristallin est due à la faible interaction entre les couches de graphite, et la planéité de la couche de graphène est difficile à maintenir pendant la croissance. De ce fait, le graphite se fragmente facilement en plusieurs joints de grains monocristallins désordonnés. Pour résoudre ce problème majeur, le professeur émérite de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST) et ses collaborateurs, les professeurs Liu Kaihui et Wang Enge de l'Université de Pékin, ont proposé une stratégie pour synthétiser des films minces de monocristaux de graphite, de l'ordre du centimètre. Leur méthode utilise une feuille de nickel monocristalline comme substrat, et les atomes de carbone sont introduits par l'arrière de la feuille de nickel grâce à un procédé de dissolution-diffusion-dépôt isotherme. Au lieu d'utiliser une source gazeuse de carbone, ils ont opté pour un matériau carboné solide afin de faciliter la croissance du graphite. Cette nouvelle stratégie permet de produire des films de graphite monocristallin d'une épaisseur d'environ 2,54 cm (1 pouce et 35 microns), soit plus de 100 000 couches de graphène, en quelques jours. Comparé à tous les échantillons de graphite disponibles, le graphite monocristallin présente une conductivité thermique d'environ 2 880 W m⁻¹ K⁻¹, une teneur en impuretés négligeable et une distance intercouche minimale. (1) La synthèse réussie de films de nickel monocristallins de grande taille, utilisés comme substrats ultra-plats, évite la désorganisation du graphite synthétique ; (2) 100 000 couches de graphène sont déposées de manière isotherme en une centaine d'heures, garantissant ainsi la synthèse de chaque couche dans un environnement chimique et à une température identiques, et assurant l'homogénéité du graphite ; (3) L'apport continu de carbone par l'arrière de la feuille de nickel permet une croissance continue et très rapide des couches de graphène, à raison d'environ une couche toutes les cinq secondes.
Date de publication : 9 novembre 2022