Nanofeuillets d’oxyde de ruthénium par exfoliation ultrasonique

Les nanofeuillets monocouches d’oxyde de ruthénium peuvent être produits efficacement par ultrasonication de type sonde. Les principaux avantages de l’exfoliation ultrasonique de nanofeuillets sont l’efficacité du procédé, des rendements élevés, un traitement court ainsi qu’une utilisation simple et sûre. En raison de sa grande efficacité et de la qualité supérieure des nanofeuillets produits, l’ultrasonication est utilisée pour la production industrielle de nombreux nanofeuillets, dont le graphène et le borophène.

Exfoliation ultrasonique de nanofeuillets d’oxyde de ruthénium

Les nanofeuillets d’oxyde de ruthénium (RuO2, également appelé ruthénate) offrent des propriétés uniques telles qu’une conductivité élevée, une faible résistivité, une grande stabilité, un travail de sortie élevé et une bonne aptitude à la gravure sèche. L’oxyde de ruthénium est donc un bon matériau pour les électrodes des dispositifs de mémoire et des transistors.

Images MEB de nanofeuillets de RuO2 exfoliés après a) 1 minute et b) 7 minutes d’ultrasonication.
(étude et images : ©Kim et al., 2021)

Étude de cas : exfoliation très efficace du RuO2 à l’aide d’un ultrasoniseur de type sonde

Kim et al. (2021) ont montré dans leur étude une amélioration significative de l’exfoliation des nanofeuillets monocouches d’oxyde de ruthénium. Les chercheurs ont obtenu des rendements élevés de feuillets minces d’oxyde métallique RuO2 grâce à l’ultrasonication. Le procédé conventionnel d’intercalation par réactions d’échange d’ions est lent et ne produit que des quantités limitées de nanofeuillets bidimensionnels (2D) en raison de la taille des molécules et de l’énergie chimique nécessaire à la réaction. Afin d’accélérer le procédé et d’augmenter la quantité de nanofeuillets d’oxyde de ruthénium produits, ils ont intensifié le procédé d’exfoliation en appliquant de l’énergie ultrasonore à la solution d’oxyde RuO2. Ils ont constaté qu’après seulement 15 minutes d’ultrasonication, la quantité de feuillets augmentait de plus de 50 %, tandis que la taille latérale des feuillets diminuait simultanément. Des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité ont démontré que l’énergie d’activation de l’exfoliation est considérablement réduite par la division des couches de RuO2 en une petite taille latérale. Cette réduction de taille se produit parce que la sonication a permis de séparer plus facilement les couches d’oxyde métallique. Cette recherche souligne que l’utilisation des ultrasons est un moyen efficace et simple de fabriquer des nanofeuillets monocouches d’oxyde de ruthénium. Cela montre qu’un procédé d’échange d’ions assisté par ultrasons offre une approche simple et efficace pour fabriquer des nanofeuillets 2D d’oxyde métallique. Les avantages de l’exfoliation ultrasonique expliquent pourquoi l’exfoliation et la délamination par ultrasons sont largement utilisées comme technique de production de nanomatériaux 2D, également appelés xènes, dont le graphène et le borophène.

L’exfoliation ultrasonique favorise une production très efficace et accélérée de nanofeuillets 2D d’oxyde de ruthénium à grande échelle
(étude et images : ©Kim et al., 2021).

Protocole d’exfoliation de l’oxyde de ruthénium assistée par ultrasons

Le protocole suivant est une instruction étape par étape pour la synthèse de nanofeuillets de RuO2 au moyen d’un procédé de réaction d’échange d’ions assisté par ultrasons, tel que décrit par Kim et al. (2021).

1. Préparer une solution de RuO2 et d’un agent intercalant en les dissolvant dans un solvant (2-propanol) et en agitant pendant 3 jours au maximum.
2. Appliquer de l’énergie ultrasonore à la solution à l’aide d’un ultrasoniseur de type sonde (p. ex. l’ultrasoniseur de type sonde UP1000hdT (1000W, 20kHz) avec la sonotrode BS4d22) pendant 15 minutes afin d’augmenter le rendement en nanofeuillets de RuO2 de plus de 50 % et de diviser les couches de RuO2 en une petite taille latérale uniforme.
3. Utiliser des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité pour confirmer que l’énergie d’activation de l’exfoliation est considérablement réduite.
4. Recueillir les nanofeuillets de RuO2 obtenus, qui peuvent être utilisés pour diverses applications.

La simplicité de ce protocole d’exfoliation ultrasonique de nanofeuillets de RuO2 souligne les avantages de la production de nanofeuillets par ultrasons. La sonication est une technique très efficace pour produire des nanofeuillets monocouches de RuO2 de haute qualité d’une épaisseur d’environ 1 nm. Le protocole s’est également révélé évolutif et reproductible, ce qui le rend adapté à la production à grande échelle de nanofeuillets de RuO2 pour diverses applications dans l’électronique, la catalyse et le stockage de l’énergie.

En savoir plus sur la synthèse sonochimique de nanoflocons de SnOx !
 

Séquence d’images à grande vitesse (de a à f) illustrant l’exfoliation sono-mécanique d’un flocon de graphite dans l’eau à l’aide de l’UP200S, un ultrasoniseur de 200W équipé d’une sonotrode de 3-mm. Les flèches indiquent l’endroit de la séparation (exfoliation), où des bulles de cavitation pénètrent dans la fente.
(étude et images : © Tyurnina et al. 2020

Ultrasoniseurs haute performance pour l’exfoliation du RuO2

Pour la production de nanofeuillets d’oxyde de ruthénium de haute qualité et d’autres xènes, un équipement à ultrasons fiable et performant est nécessaire. L’amplitude, la pression et la température sont des paramètres essentiels, déterminants pour la reproductibilité et la constance du produit. Les processeurs Hielscher Ultrasonics sont des systèmes puissants et contrôlables avec précision, qui permettent un réglage exact des paramètres de procédé et une puissance ultrasonore élevée en continu. Les ultrasoniseurs industriels Hielscher peuvent délivrer des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles. La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
Nos clients sont satisfaits de la robustesse et de la fiabilité exceptionnelles des systèmes Hielscher Ultrasonics. L’installation dans des domaines d’application intensive (p. ex. le traitement de nanomatériaux à grande échelle), dans des environnements exigeants et en fonctionnement 24/7 garantit un traitement efficace et économique. L’intensification des procédés par ultrasons réduit le temps de traitement et permet d’obtenir de meilleurs résultats, c.-à-d. une qualité supérieure, des rendements plus élevés et des produits innovants.

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasoniseurs Hielscher sont réputés pour leurs normes de qualité et de conception les plus élevées. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasoniseurs dans les installations industrielles. Les ultrasoniseurs Hielscher font face sans difficulté aux conditions difficiles et aux environnements exigeants.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une importance particulière aux ultrasoniseurs haute performance alliant technologie de pointe et convivialité. Bien entendu, les ultrasoniseurs Hielscher sont conformes CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasoniseurs :