En 2010, Geim et Novoselov ont remporté le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur le graphène.Ce prix a laissé une profonde impression sur de nombreuses personnes.Après tout, tous les outils expérimentaux du prix Nobel ne sont pas aussi courants que le ruban adhésif, et tous les objets de recherche ne sont pas aussi magiques et faciles à comprendre que le graphène « cristal bidimensionnel ».Les travaux de 2004 pourront être récompensés en 2010, ce qui est rare dans le palmarès des prix Nobel de ces dernières années.
Le graphène est une sorte de substance constituée d’une seule couche d’atomes de carbone étroitement disposés dans un réseau hexagonal en nid d’abeille bidimensionnel.Comme le diamant, le graphite, le fullerène, les nanotubes de carbone et le carbone amorphe, c'est une substance (substance simple) composée d'éléments carbonés.Comme le montre la figure ci-dessous, les fullerènes et les nanotubes de carbone peuvent être considérés comme enroulés d'une manière ou d'une autre à partir d'une seule couche de graphène, qui est empilée par de nombreuses couches de graphène.La recherche théorique sur l'utilisation du graphène pour décrire les propriétés de diverses substances simples carbonées (graphite, nanotubes de carbone et graphène) dure depuis près de 60 ans, mais il est généralement admis que de tels matériaux bidimensionnels sont difficiles à exister seuls de manière stable. uniquement attaché à la surface tridimensionnelle du substrat ou à l’intérieur de substances comme le graphite.Ce n’est qu’en 2004, lorsqu’André Geim et son élève Konstantin Novoselov ont retiré une seule couche de graphène du graphite grâce à des expériences, que la recherche sur le graphène a connu un nouveau développement.
Le fullerène (à gauche) et le nanotube de carbone (au milieu) peuvent être considérés comme étant enroulés d'une manière ou d'une autre par une seule couche de graphène, tandis que le graphite (à droite) est empilé par plusieurs couches de graphène grâce à la connexion de la force de van der Waals.
De nos jours, le graphène peut être obtenu de nombreuses manières, et différentes méthodes présentent leurs propres avantages et inconvénients.Geim et Novoselov ont obtenu du graphène de manière simple.À l’aide d’un ruban transparent disponible dans les supermarchés, ils ont extrait le graphène, une feuille de graphite ne comportant qu’une seule couche d’atomes de carbone d’épaisseur, d’un morceau de graphite pyrolytique d’ordre élevé.C'est pratique, mais la contrôlabilité n'est pas si bonne, et le graphène d'une taille inférieure à 100 microns (un dixième de millimètre) ne peut être obtenu que pour des expériences, mais il est difficile de l'utiliser à des fins pratiques. applications.Le dépôt chimique en phase vapeur peut faire croître des échantillons de graphène mesurant plusieurs dizaines de centimètres sur la surface métallique.Bien que la zone avec une orientation cohérente ne soit que de 100 microns [3,4], elle convient aux besoins de production de certaines applications.Une autre méthode courante consiste à chauffer le cristal de carbure de silicium (SIC) à plus de 1 100 ℃ sous vide, de sorte que les atomes de silicium proches de la surface s'évaporent et que les atomes de carbone restants soient réarrangés, ce qui permet également d'obtenir des échantillons de graphène avec de bonnes propriétés.
Le graphène est un nouveau matériau aux propriétés uniques : sa conductivité électrique est aussi excellente que le cuivre et sa conductivité thermique est meilleure que n'importe quel matériau connu.C'est très transparent.Seule une petite partie (2,3 %) de la lumière visible incidente verticale sera absorbée par le graphène et la majeure partie de la lumière la traversera.Il est si dense que même les atomes d’hélium (les plus petites molécules de gaz) ne peuvent pas le traverser.Ces propriétés magiques ne sont pas directement héritées du graphite, mais de la mécanique quantique.Ses propriétés électriques et optiques uniques lui confèrent de larges perspectives d’application.
Même si le graphène n’est apparu que depuis moins de dix ans, il a montré de nombreuses applications techniques, ce qui est très rare dans les domaines de la physique et de la science des matériaux.Il faut plus de dix ans, voire des décennies, pour que les matériaux généraux passent du laboratoire à la vie réelle.A quoi sert le graphène ?Regardons deux exemples.
Électrode transparente souple
Dans de nombreux appareils électriques, des matériaux conducteurs transparents doivent être utilisés comme électrodes.Les montres électroniques, les calculatrices, les téléviseurs, les écrans à cristaux liquides, les écrans tactiles, les panneaux solaires et bien d'autres appareils ne peuvent pas quitter l'existence d'électrodes transparentes.L'électrode transparente traditionnelle utilise de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO).En raison du prix élevé et de l'offre limitée d'indium, le matériau est fragile et manque de flexibilité, et l'électrode doit être déposée dans la couche intermédiaire de vide, et le coût est relativement élevé.Depuis longtemps, les scientifiques tentent de trouver un substitut.Outre les exigences de transparence, de bonne conductivité et de facilité de préparation, si la flexibilité du matériau lui-même est bonne, il conviendra à la fabrication de « papier électronique » ou d'autres dispositifs d'affichage pliables.La flexibilité est donc également un aspect très important.Le graphène est un matériau très approprié pour les électrodes transparentes.
Des chercheurs de Samsung et de l'Université de Chengjunguan en Corée du Sud ont obtenu du graphène d'une longueur 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 le montre la figure ci-dessous, le graphène développé sur la feuille de cuivre est d'abord lié avec le ruban de décapage thermique (partie transparente bleue), puis la feuille de cuivre est dissoute par méthode chimique et enfin le graphène est transféré au film PET par chauffage. .
Nouvel équipement d'induction photoélectrique
Le graphène possède des propriétés optiques tout à fait uniques.Bien qu’il n’y ait qu’une seule couche d’atomes, elle peut absorber 2,3 % de la lumière émise dans toute la gamme de longueurs d’onde, de la lumière visible à l’infrarouge.Ce nombre n'a rien à voir avec les autres paramètres matériels du graphène et est déterminé par l'électrodynamique quantique [6].La lumière absorbée va conduire à la génération de porteurs (électrons et trous).La génération et le transport des porteurs dans le graphène sont très différents de ceux des semi-conducteurs traditionnels.Cela rend le graphène très approprié pour les équipements à induction photoélectrique ultrarapide.On estime qu'un tel équipement à induction photoélectrique peut fonctionner à une fréquence de 500 GHz.S'il est utilisé pour la transmission de signaux, il peut transmettre 500 milliards de zéros ou de uns par seconde et terminer la transmission du contenu de deux disques Blu-ray en une seconde.
Des experts du centre de recherche IBM Thomas J. Watson aux États-Unis ont utilisé le graphène pour fabriquer des dispositifs à induction photoélectrique pouvant fonctionner à une fréquence de 10 GHz [8].Tout d'abord, des flocons de graphène ont été préparés sur un substrat de silicium recouvert de silice de 300 nm d'épaisseur par « méthode de déchirement de bande », puis des électrodes en or palladium ou en or titane avec un intervalle de 1 micron et une largeur de 250 nm ont été réalisées dessus.De cette manière, un dispositif d’induction photoélectrique à base de graphène est obtenu.
Diagramme schématique de l'équipement d'induction photoélectrique au graphène et photos au microscope électronique à balayage (MEB) d'échantillons réels.La ligne courte noire sur la figure correspond à 5 microns et la distance entre les lignes métalliques est d'un micron.
Grâce à des expériences, les chercheurs ont découvert que ce dispositif d'induction photoélectrique à structure métallique en graphène métallique peut atteindre la fréquence de travail de 16 GHz au maximum et peut fonctionner à grande vitesse dans la plage de longueurs d'onde allant de 300 nm (proche ultraviolet) à 6 microns (infrarouge), tandis que le tube à induction photoélectrique traditionnel ne peut pas répondre à la lumière infrarouge avec une longueur d'onde plus longue.La fréquence de fonctionnement des équipements d’induction photoélectrique au graphène peut encore être améliorée.Ses performances supérieures lui confèrent un large éventail de perspectives d'application, notamment la communication, le contrôle à distance et la surveillance de l'environnement.
En tant que nouveau matériau aux propriétés uniques, les recherches sur les applications du graphène se succèdent.Il nous est difficile de les énumérer ici.Dans le futur, il y aura peut-être des tubes à effet de champ en graphène, des interrupteurs moléculaires en graphène et des détecteurs moléculaires en graphène dans la vie quotidienne… Le graphène qui sort peu à peu du laboratoire brillera dans la vie quotidienne.
On peut s’attendre à ce qu’un grand nombre de produits électroniques utilisant du graphène apparaissent dans un avenir proche.Pensez à quel point il serait intéressant si nos smartphones et netbooks pouvaient être enroulés, serrés sur nos oreilles, rangés dans nos poches ou enroulés autour de nos poignets lorsqu'ils ne sont pas utilisés !
Heure de publication : 09 mars 2022