EXPERIENCES ET RESULTATS

EXPERIENCES

Pour l’expérience, on utilise un bécher de 100mL nettoyé à l’acide nitrique, dans le lequel on met :
- 40g d’eau déminéralisée/dé-ionisée.
- 0.4g de graphite sous forme de cristaux d’une taille de l’ordre de 75 microns.
- 0.1g de Tritron X-100, masse que nous avons déterminé théoriquement.

Calcul de la concentration de Triton X-100 :
Il faut une molécule de Triton X-100 par nm² de graphène (donnée du labo). On peut associer le graphite à un pavé droit de longueur L, de largeur l et d'épaisseur e.
S=2.L.l+2.L.e+2.l.e
La surface spécifique est donnée par :
S_sp=(2.L.l+2.L.e+2.l.e)/(L.l.e.ρ)≈2/(e.ρ)=2/(e.10^-9.2,1.10⁶)≈1000/e(nm)=200m².g^-1
Avec la masse volumique du graphite : ρ=2,1.10⁶kg.m^-3, e≈5nm donc 2.l.e et 2.L.e sont négligeables devant 2.L.l, et l et L étant de l'ordre du micron.
On prend 0,40g de graphite donc 80nm²=8,0.10²⁰nm².
M_TX=624g.mol^-1 et n=N/N_A=8,0.10²⁰/6,022.10²³=1,33.10^-4mol.
m_TX=n.M=1,33.10^-4x624=0,08g.
On mettra donc 0.1g de Triton X-100 dans notre solution.

Nous prélevons une petite quantité de la solution afin de servir de référence.
La sonde peut être lancée, pendant une demi-heure, on laisse décanter la solution puis on fait un prélèvement à la surface de la solution, là où il y a le plus de chance de trouver du graphène en suspension, étant donné que sa masse est inférieure à celle du graphite. On répète cette procédure pour 1 heure, 2h, 3h, 4h et 8h.
Pour chaque prélèvement, nous les déposons sur un wafer de silicium. Après séchage, nous pouvons les analyser par spectroscopie RAMAN.

OBSERVATION DU GRAPHENE

Le pic le plus important que l’on détecte est à 1554cm^-1 avec du graphite non-exfolié, on est proche de ces deux études [5][6].C’est donc autour de cette valeur que l’on se concentrera pour les autres solutions.
En suivant les mêmes étapes, on analyse au spectromètre raman les solutions de graphite exfolié, en superposant les courbes, voici ce que l’on obtient :

On voit le pic bien net du graphite non exfolié à 1554cm^-1.
Pour celui qui a été exfolié pendant une demi-heure, on commence à voir un décalage vers des nombres d’ondes plus grand et un élargissement de la raie comme prévu dans les autres études.
Pour le graphite exfolié pendant 4 heures, on voit un deuxième pic apparaitre vers 1566cm^-1, significatif d’un graphite bien moins épais que précédemment.
Enfin, celui exfolié pendant 8 heures a moins d’intensité sur le pic de graphite non exfolié et présente une grande intensité vers 1568cm^-1.
Nous pouvons donc en conclure que nous avons obtenu quelques feuillets de graphène.

Afin de compléter la caractérisation du graphène, nous avons effectué des observations absolues.
En premier lieu, la solution, exfoliée pendant 8h, au microscope optique :

Nous utilisons 2 échantillons :
- graphite exfolié pendant 8h.

- graphène fabriqué par GoodFellow ayant une épaisseur inférieure à 50nm.

ETUDE SUR LE GRAPHENE

Nous avons cherché un moyen d'étudier les propriétés du graphène, principalement sa conductivité. Pour cela, nous avons déposer la solution sur un film plastique par barcoating. Avec cette méthode, nous n'avons pas pu obtenir une conductivité intéressante. Nous avons aussi rencontré un probléme lors des séchages des solutions que l'on souhaitait analyser.
A 120°C, les morceaux de graphène exfolié ont commencé à s'agglomérer, perdant ainsi tout le travail fourni pour les séparer. La molécule de TX-100 perd sa fonction de dispersant, sa partie hydrophile devient hydrophobe, pour une température supérieure à 60°C.
Nous avons donc décidé de laisser sécher notre solution de graphite exfolié à l'air libre, et pour l'étude de la conductivité, d'en remettre une goutte par dessus après séchage pour augmenter la concentration du graphène. Nous avons ainsi pu obtenir une mesure de la résistivité très intéressante.

DISCUSSIONS

Toutes les observations effectuées peuvent seulement nous montrer qu'il y a bien eu une réduction de l'épaisseur du graphite et donc que l'exfoliation a bien fonctionné mais elles ne peuvent pas nous renseigner sur le nombre exacte de feuillets de graphène que l'on a obtenu.
On constate que les morceaux obtenus ne sont pas tous de la même épaisseur.
L'exfoliation du graphite par cavitation ultrasonique en milieu aqueux s'est avérée une méthode de fabrication du graphène efficace, économique et environnementale. Pour l'améliorer, nous pourrions optimiser les temps caractéristiques, d'une part en employant un molécule autre que le TX-100, avec les mêmes propriétés mais un coefficient de diffusion supérieur. Et d'autre part, en utilisant d'autres types de générateurs à ultrasons. En effet, nous pourrions tester des combinaisons temporelles entre une sonde et un bain ultrasonique, de manière à maximiser le temps de stabilisation entre deux feuillets.
Grâce à des techniques de synthétisation efficaces comme ce principe particulier d'exfoliation, le graphène va rapidement devenir bon marché, et pourra donc contribuer à des avancées technologiques majeures dans de nombreux domaines.

[5] Joe Hodkiewicz, Characterizing Graphene with Raman Spectroscopy,Thermo FischerScientific, Madison, WI, USA(2010), Application Note :51946.
[6] M.Buzaglo, M.Shtein, S.Kober, R.Lovrincic, A.Vilanb, O.Regevac, Critical parameters in exfoliating graphite into graphene, Phys Chem Chem Phys (2013) 15 4428