Les nanofeuillets d'oxyde de ruthénium monocouche peuvent être produits efficacement par ultrasonication de type sonde. Les principaux avantages de l'exfoliation ultrasonique des nanofeuilles sont l'efficacité du processus, les rendements élevés, la brièveté du traitement et la facilité et la sécurité de l'opération. En raison de sa grande efficacité et de la qualité supérieure des nanofeuilles produites, l'ultrasonication est utilisée pour la production industrielle de nombreuses nanofeuilles, y compris le graphène et le borophène.

Exfoliation ultrasonique de nanosheets d'oxyde de ruthénium

Les nanofeuillets d'oxyde de ruthénium (RuO2, également connu sous le nom de ruthénate) présentent des propriétés uniques telles qu'une conductivité élevée, une faible résistivité, une grande stabilité, une fonction de travail élevée et une bonne susceptibilité à la gravure à sec. Cela fait de l'oxyde de ruthénium un bon matériau pour les électrodes dans les dispositifs de mémoire et les transistors.

Images SEM de nanosheets de RuO2 exfoliés après a) 1 minute et b) 7 minutes d'ultrasonication.
(étude et photos : ©Kim et al., 2021)

Étude de cas : Exfoliation très efficace de RuO2 à l'aide d'un ultrasoniseur à sonde

Kim et al. (2021) ont montré dans leur étude l'amélioration significative de l'exfoliation des nanofeuillets d'oxyde de ruthénium monocouche. Le chercheur a créé des rendements élevés de feuilles minces d'oxyde métallique RuO2 en utilisant l'ultrasonication. Le processus d'intercalation conventionnel par des 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 processus et d'augmenter la quantité de nanofeuillets d'oxyde de ruthénium produits, les chercheurs ont intensifié le processus d'exfoliation en appliquant des ultrasons à la solution d'oxyde de RuO2. Ils ont constaté qu'après seulement 15 minutes d'ultrasons, la quantité de feuilles augmentait de plus de 50 %, tandis que la taille latérale des feuilles diminuait. Les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité ont démontré que l'énergie d'activation de l'exfoliation est considérablement réduite en divisant les couches de RuO2 en une petite taille latérale. Cette réduction de taille est due au fait que la sonication a permis de briser plus facilement les couches d'oxyde métallique. Cette recherche souligne que l'utilisation d'ultrasons est un moyen simple et efficace de fabriquer des nanofeuillets d'oxyde de ruthénium monocouche. Cela montre qu'un processus d'échange d'ions soutenu par des ultrasons offre une approche facile et efficace pour la fabrication de nanofeuillets d'oxyde métallique 2D. 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 connus sous le nom de xènes, y compris le graphène et le borophène.

L'exfoliation ultrasonique favorise la production très efficace et accélérée de nanofeuillets 2D d'oxyde de ruthénium à grande échelle
(étude et photos : ©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 synthétiser des nanoplaquettes de RuO2 en utilisant le processus de réaction d'échange d'ions soutenu par ultrasons comme décrit par Kim et al. (2021).
 

1. Préparer une solution de RuO2 et d'un intercalant en les dissolvant dans un solvant (2-propanol) et en agitant pendant 3 jours.
2. Appliquer l'énergie des ultrasons à l'aide d'un appareil à ultrasons à sonde (par exemple, l'appareil à ultrasons à sonde UP1000hdT (1000W, 20kHz) avec la sonotrode BS4d22) à la solution pendant 15 minutes afin d'augmenter le rendement des nanofeuillets de RuO2 de plus de 50 % et de diviser les couches de RuO2 en une taille latérale uniformément petite.
3. Utiliser les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour confirmer que l'énergie d'activation de l'exfoliation est considérablement réduite.
4. Recueillir les nanoplaquettes de RuO2 obtenues, qui peuvent être utilisées pour diverses applications.

 
La simplicité de ce protocole d'exfoliation ultrasonique des nanofeuillets de RuO2 souligne les avantages de la production de nanofeuillets par ultrasons. La sonication est une technique très efficace pour produire des nanofeuillets de RuO2 monocouche de haute qualité d'une épaisseur d'environ 1 nm. Le protocole s'est également avéré 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.

Séquence à grande vitesse (de a à f) d'images illustrant l'exfoliation sono-mécanique d'une paillette de graphite dans l'eau en utilisant l'UP200S, un appareil à ultrasons de 200 W avec une sonotrode de 3 mm. Les flèches montrent l'endroit de la fissuration (exfoliation) avec des bulles de cavitation pénétrant dans la fissure.
(étude et photos : © Tyurnina et al. 2020

Ultrasons à haute performance pour l'exfoliation de RuO2

La production de nanofeuillets d'oxyde de ruthénium et d'autres xènes de haute qualité nécessite un équipement ultrasonique fiable et performant. L'amplitude, la pression et la température sont des paramètres essentiels à la reproductibilité et à l'homogénéité du produit. Les processeurs ultrasoniques Hielscher sont des systèmes puissants et contrôlables avec précision, qui permettent un réglage exact des paramètres du processus et une sortie continue d'ultrasons de haute puissance. Les ultrasons industriels Hielscher peuvent délivrer des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La robustesse des appareils à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants.
Nos clients sont satisfaits de la robustesse et de la fiabilité exceptionnelles des systèmes ultrasoniques Hielscher. L'installation dans des domaines d'application intensive (par exemple, le traitement des nanomatériaux à grande échelle), les environnements exigeants et le fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 garantissent un traitement efficace et économique. L'intensification du processus par ultrasons réduit le temps de traitement et permet d'obtenir de meilleurs résultats, c'est-à-dire une meilleure qualité, des rendements plus élevés et des produits innovants.

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leur conception de haut niveau. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration harmonieuse de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande convivialité. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

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