En 2010, Geim et Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur le graphène. Cette récompense a profondément marqué les esprits. En effet, tous les outils expérimentaux récompensés par un prix Nobel ne sont pas aussi courants que le ruban adhésif, et tous les objets de recherche ne sont pas aussi fascinants et faciles à appréhender que le graphène, ce « cristal bidimensionnel ». Le fait que des travaux menés en 2004 aient pu être récompensés en 2010 est un événement rare dans l'histoire des prix Nobel ces dernières années.
Le graphène est une substance constituée d'une monocouche d'atomes de carbone étroitement agencés en un réseau hexagonal bidimensionnel en nid d'abeille. À l'instar du diamant, du graphite, du fullerène, des nanotubes de carbone et du carbone amorphe, il s'agit d'une substance (substance simple) composée d'éléments carbonés. Comme illustré dans la figure ci-dessous, les fullerènes et les nanotubes de carbone peuvent être considérés comme des enroulements d'une monocouche de graphène, elle-même constituée de nombreuses couches de graphène empilées. Les recherches théoriques sur l'utilisation du graphène pour décrire les propriétés de diverses substances carbonées simples (graphite, nanotubes de carbone et graphène) se poursuivent depuis près de 60 ans. Cependant, il est généralement admis que ces matériaux bidimensionnels peinent à exister de manière stable à l'état isolé, ne pouvant se fixer qu'à la surface d'un substrat tridimensionnel ou être intégrés à des substances comme le graphite. Ce n'est qu'en 2004, grâce aux expériences d'André Geim et de son étudiant Konstantin Novoselov, que la recherche sur le graphène a connu un tournant décisif.
Le fullerène (à gauche) et le nanotube de carbone (au milieu) peuvent tous deux être considérés comme enroulés d'une seule couche de graphène, tandis que le graphite (à droite) est constitué de plusieurs couches de graphène liées par la force de van der Waals.
De nos jours, le graphène peut être obtenu de diverses manières, chacune présentant ses propres avantages et inconvénients. Geim et Novoselov ont obtenu du graphène de façon simple. À l'aide d'un ruban adhésif transparent disponible dans le commerce, ils ont extrait le graphène, une feuille de graphite composée d'une seule couche d'atomes de carbone, d'un morceau de graphite pyrolytique d'ordre élevé. Cette méthode est pratique, mais manque de précision et ne permet d'obtenir que des particules de graphène inférieures à 100 microns (un dixième de millimètre), utilisables pour des expériences, mais difficiles à exploiter dans des applications pratiques. Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) permet de faire croître des échantillons de graphène de plusieurs dizaines de centimètres sur une surface métallique. Bien que la zone d'orientation uniforme ne soit que de 100 microns [3,4], cette technique répond aux besoins de production de certaines applications. Une autre méthode courante consiste à chauffer le cristal de carbure de silicium (SiC) à plus de 1100 °C sous vide, afin que les atomes de silicium proches de la surface s'évaporent et que les atomes de carbone restants se réorganisent, ce qui permet également d'obtenir des échantillons de graphène aux bonnes propriétés.
Le graphène est un matériau novateur aux propriétés uniques : sa conductivité électrique est aussi excellente que celle du cuivre, et sa conductivité thermique est supérieure à celle de tous les matériaux connus. Il est extrêmement transparent. Seule une faible partie (2,3 %) de la lumière visible incidente verticalement est absorbée par le graphène, la majeure partie le traversant. Sa densité est telle que même les atomes d’hélium (les plus petites molécules de gaz) ne peuvent le traverser. Ces propriétés remarquables ne sont pas directement héritées du graphite, mais découlent de la mécanique quantique. Ses propriétés électriques et optiques exceptionnelles lui confèrent de vastes perspectives d’application.
Bien que le graphène n'existe que depuis moins de dix ans, il a déjà démontré de nombreuses applications techniques, ce qui est très rare en physique et en science des matériaux. Il faut généralement plus de dix ans, voire des décennies, pour que les matériaux classiques passent du laboratoire à la vie réelle. À quoi sert le graphène ? Prenons deux exemples.
Électrode souple et transparente
Dans de nombreux appareils électriques, des matériaux conducteurs transparents sont utilisés comme électrodes. Montres électroniques, calculatrices, téléviseurs, écrans à cristaux liquides, écrans tactiles, panneaux solaires et bien d'autres dispositifs nécessitent des électrodes transparentes. L'électrode transparente traditionnelle utilise l'oxyde d'indium-étain (ITO). Cependant, en raison du prix élevé et de la disponibilité limitée de l'indium, ce matériau est fragile et peu flexible, et son dépôt sous vide, réalisé dans une couche intermédiaire, est relativement coûteux. Depuis longtemps, les scientifiques cherchent des alternatives. Outre la transparence, une bonne conductivité et une facilité de préparation, la flexibilité du matériau est essentielle pour la fabrication de « papier électronique » ou d'autres dispositifs d'affichage pliables. Le graphène, matériau présentant ces caractéristiques, est particulièrement adapté aux électrodes transparentes.
Des chercheurs de Samsung et de l'université Chengjunguan en Corée du Sud ont obtenu du graphène d'une diagonale de 30 pouces par dépôt chimique en phase vapeur et l'ont transféré sur un film de polyéthylène téréphtalate (PET) de 188 microns d'épaisseur pour produire un écran tactile à base de graphène [4]. Comme illustré ci-dessous, le graphène déposé sur une feuille de cuivre est d'abord collé à l'aide d'un ruban adhésif thermocollant (partie bleue transparente), puis la feuille de cuivre est dissoute chimiquement, et enfin le graphène est transféré sur le film PET par chauffage.
Nouveaux équipements à induction photoélectrique
Le graphène possède des propriétés optiques uniques. Bien qu'il ne soit constitué que d'une seule couche d'atomes, il absorbe 2,3 % de la lumière émise sur l'ensemble du spectre visible et infrarouge. Cette valeur, indépendante des autres paramètres du matériau, est déterminée par l'électrodynamique quantique [6]. L'absorption de la lumière induit la création de porteurs de charge (électrons et trous). La génération et le transport de ces porteurs dans le graphène diffèrent considérablement de ceux observés dans les semi-conducteurs traditionnels. Cette propriété rend le graphène particulièrement adapté aux dispositifs à induction photoélectrique ultrarapide. On estime qu'un tel dispositif pourrait fonctionner à une fréquence de 500 GHz. Utilisé pour la transmission de signaux, il serait capable de transmettre 500 milliards de zéros ou de uns par seconde, soit l'équivalent du contenu de deux disques Blu-ray en une seconde.
Des experts du centre de recherche Thomas J. Watson d'IBM, aux États-Unis, ont utilisé le graphène pour fabriquer des dispositifs à induction photoélectrique fonctionnant à une fréquence de 10 GHz [8]. Dans un premier temps, des feuillets de graphène ont été préparés sur un substrat de silicium recouvert d'une couche de silice de 300 nm d'épaisseur par la méthode de « déchirure de ruban adhésif ». Ensuite, des électrodes en or palladium ou en or titane, espacées de 1 µm et d'une largeur de 250 nm, ont été déposées sur ces feuillets. On obtient ainsi un dispositif à induction photoélectrique à base de graphène.
Schéma d'un dispositif d'induction photoélectrique au graphène et images au microscope électronique à balayage (MEB) d'échantillons réels. Le trait noir court représente 5 microns, et l'espacement entre les lignes métalliques est de 1 micron.
Grâce à des expériences, les chercheurs ont constaté que ce dispositif à induction photoélectrique à structure métal-graphène peut atteindre une fréquence de fonctionnement maximale de 16 GHz et fonctionner à haute vitesse dans la gamme de longueurs d'onde allant de 300 nm (proche ultraviolet) à 6 microns (infrarouge), contrairement aux tubes à induction photoélectrique traditionnels qui ne réagissent pas à la lumière infrarouge de plus grande longueur d'onde. La fréquence de fonctionnement de cet équipement à induction photoélectrique en graphène présente encore un important potentiel d'amélioration. Ses performances supérieures lui confèrent de vastes perspectives d'application, notamment dans les domaines des communications, de la télécommande et de la surveillance environnementale.
Matériau novateur aux propriétés uniques, le graphène fait l'objet de recherches de plus en plus nombreuses et variées. Il nous est difficile de toutes les énumérer ici. À l'avenir, on pourrait trouver dans notre quotidien des tubes à effet de champ, des commutateurs moléculaires et des détecteurs moléculaires entièrement en graphène… Ce matériau, qui quitte progressivement les laboratoires, s'imposera bientôt dans notre vie de tous les jours.
On peut s'attendre à voir apparaître prochainement un grand nombre de produits électroniques utilisant du graphène. Imaginez à quel point il serait intéressant que nos smartphones et nos ordinateurs portables puissent être enroulés, fixés à l'oreille, glissés dans une poche ou enroulés autour du poignet lorsqu'ils ne sont pas utilisés !
Date de publication : 9 mars 2022