Graphène, un nouveau matériau

2011/07/01 Hueso, Luis - CIC nanoGUNEko nanogailuen taldearen burua Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Imaginons pour un moment l'objet le plus mince de notre vie. Quel peut être ? Avec une réponse rapide, nous pouvons dire que c'est une feuille de papier ou un rasoir. Mais réduire à nos jours est beaucoup, parce que hors de lui il ya un matériau cent mille fois plus fine qu'une feuille de papier, qui n'a que l'épaisseur d'un atome. Un seul atome. Littéralement, rien ne peut être plus mince que cela. Ce matériau étonnant est le graphène, formé par une seule couche d'atomes de carbone avec une structure hexagonale en forme de cellules d'abeille.

Les atomes de carbone sont des composants d'un grand nombre de matériaux; les plus connus sont le diamant (où les atomes forment un réseau tétragonal formant un isolant transparent de haute valeur) et le graphite (où plusieurs couches de cellules forment un composé opaque et conducteur, comme la douleur des crayons).

En 2004, André Geim et Konstantin Novoselov, deux chercheurs de l'Université de Manchester au Royaume-Uni, ont découvert que les couches de graphite pouvaient être séparées par une méthode simple et économique : le papier adhésif. Une fois collé et relâché l'adhésif, ils ont réussi à séparer les couches du graphite jusqu'à obtenir une surface d'une seule couche d'atomes posée sur un substrat. Après des tests expérimentaux approfondis avec des techniques de microscopie, même les plus sceptiques ont reconnu la nouveauté du matériel trouvé, la porte d'un monde plein de possibilités et peut-être d'applications s'est ouverte.

On a immédiatement constaté que les électrons étaient déplacés dans ce matériau d'une manière qui n'avait jamais été observée jusqu'alors. Ce comportement n'était pas expliqué de manière conventionnelle, mais par des équations tirées directement de la physique des particules de grande énergie. Soudain, en plus de trouver un nouveau matériel, la science qui le décrit était nouvelle. Les électrons se déplacent à grande vitesse dans le graphène, plus vite que dans d'autres matériaux. Avec cette fonctionnalité, il semblait que la voie s'ouvrait pour produire des transistors (base de n'importe quel appareil électronique, comme l'ordinateur) plus rapides et moins consommables.

Cependant, le graphène présente également des problèmes intrinsèques qui limitent les applications électroniques. Le semi-conducteur de la bande creuse ( band gap ) est pratiquement nul, ce qui peut limiter les applications dans les transistors conventionnels. En outre, il ne faut pas oublier que le silicium, grâce à ses excellentes propriétés chimiques et physiques, a laissé hors de la concurrence tous les concurrents qui ont émergé au cours des 50 dernières années, tandis que l'industrie électronique a réalisé un énorme investissement financier en silicium, dont on dispose d'une connaissance accumulée pendant des années. Pour que l'industrie commence à utiliser un nouveau matériau, il est indispensable d'attendre une bonne performance économique (et beaucoup plus grande que la précédente).

Cependant, et malgré les limites, si nous reprenons la vitesse élevée des électrons, le graphène pourrait avoir une certaine fosse d'application en électronique à haute fréquence, où d'autres matériaux semi-conducteurs ne fonctionnent pas correctement. Certaines multinationales, comme IBM, étudient cette ligne de travail et nous avons déjà commencé à voir les premiers résultats de cette recherche.

En plus d'être choquant par lui-même l'utilisation du graphène pour les applications de radiofréquence, nous ne devons pas oublier que le matériau est relativement transparent (rappelons que la plupart des matériaux métalliques sont opaques) et donc intéressant pour les applications optiques. Par exemple, dans les cellules solaires ou dans les diodes organiques émetteurs de lumière (OLED) qui sont actuellement n'importe où, il est impératif qu'une électrode permette le passage de la lumière et, en même temps, le courant électrique. Il est difficile pour le graphène de rivaliser avec les oxydes à électrodes – à haute transparence et très stables – dans des applications optiques nécessitant une grande luminosité, comme les écrans de télévision. Cependant, les écrans flexibles ou portables peuvent être le champ d'application du graphène, en raison de l'union entre la transparence du matériau et la résistance mécanique.

Pour tirer certaines de ces idées pleines d'espoir des laboratoires de recherche et d'avoir une application commerciale, il est nécessaire de produire du graphène en quantités très élevées et avec contrôle de qualité. Il est clair qu'une application industrielle ne peut pas compter sur un matériau produit à la main et avec du ruban adhésif et ne dépasse pas plusieurs centaines de micromètres carrés. Heureusement, il existe d'autres méthodes pour créer des pots de graphène de grande qualité. En particulier, la méthode consistant en dépôt depuis la phase vapeur a permis de fixer les couches de graphène sur plusieurs métaux, ce qui peut être reproduit à plus grande échelle et à bas coût --relatif-. Je pense que lorsque la méthode est entièrement optimisée, ce sera une source de matériaux de haute qualité pour une utilisation industrielle.

Avec les proches du graphène, des nanotubes de carbone et des fullerènes, le graphène va-t-il se passer ? Est-ce un matériau qui n'intéresse que les scientifiques et qui n'atteint ni l'industrie ni les consommateurs ? Le prix Nobel attribué aux chercheurs six ans après la découverte du phénomène du ruban adhésif sera-t-il la limite supérieure de la gloire du graphène ?

Il est toujours difficile de prédire l'avenir, mais je pense que nous sommes devant un matériel qui va influencer notre vie à travers des appareils électroniques complètement nouveaux. Lorsque d'importantes découvertes scientifiques de ce type se produisent, il a tendance à souffler, mais il est possible que dans quelques années nous puissions voir les applications réelles du graphène sur les appareils électroniques. Au-delà de cette limite, rêver peut être facile, mais le graphène est tellement excitant depuis tant d'aspects que rêver de lui est inévitable.