Le graphite de haute qualité présente une excellente résistance mécanique, une stabilité thermique, une grande flexibilité et une conductivité thermique et électrique très élevée dans le plan, ce qui en fait l'un des matériaux avancés les plus importants pour de nombreuses applications, telles que les conducteurs photothermiques utilisés comme batteries de téléphones. Par exemple, un type particulier de graphite, le graphite pyrolytique hautement ordonné (HOPG), est l'un des plus couramment utilisés en laboratoire. Ces excellentes propriétés sont dues à la structure feuilletée du graphite, où de fortes liaisons covalentes entre les atomes de carbone des couches de graphène contribuent à d'excellentes propriétés mécaniques et à une conductivité thermique et électrique, tandis que très peu d'interactions entre les couches de graphène. Cette action se traduit par un degré élevé de flexibilité. Bien que le graphite soit découvert dans la nature depuis plus de 1 000 ans et que sa synthèse artificielle soit étudiée depuis plus de 100 ans, la qualité des échantillons de graphite, tant naturel que synthétique, est loin d'être idéale. Par exemple, la taille des plus grands domaines de graphite monocristallin dans les matériaux à base de graphite est généralement inférieure à 1 mm, ce qui contraste fortement avec la taille de nombreux cristaux tels que les monocristaux de quartz et de silicium. Cette 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 sorte que le graphite se décompose facilement en plusieurs joints de grains monocristallins désordonnés. Pour résoudre ce problème clé, le professeur émérite de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST) et ses collaborateurs, le professeur Liu Kaihui, le professeur Wang Enge de l'Université de Pékin, entre autres, ont proposé une stratégie de synthèse de monocristaux de graphite minces, jusqu'à l'échelle du pouce. Leur méthode utilise une feuille de nickel monocristallin comme substrat, et les atomes de carbone sont introduits par l'arrière de la feuille de nickel par un « processus isotherme de dissolution-diffusion-dépôt ». Au lieu d'utiliser une source gazeuse de carton, ils ont opté pour un matériau en carbone solide pour faciliter la croissance du graphite. Cette nouvelle stratégie permet de produire des films de graphite monocristallin d'une épaisseur d'environ 2,5 cm 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-1K-1, une teneur insignifiante en impuretés et une distance minimale entre les couches. (1) La synthèse réussie de films de nickel monocristallins de grande taille sous forme de substrats ultra-plats évite la désorganisation du graphite synthétique ; (2) 100 000 couches de graphène sont développées de manière isotherme en environ 100 heures, de sorte que chaque couche de graphène est synthétisée dans le même environnement chimique et à la même température, ce qui garantit une qualité uniforme du graphite ; (3) L'apport continu de carbone par l'envers de la feuille de nickel permet aux couches de graphène de croître en continu à un rythme très élevé, environ une couche toutes les cinq secondes.
Date de publication : 9 novembre 2022