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 peuvent être récompensés en 2010, ce qui est rare dans le palmarès des prix Nobel ces dernières années.
Le graphène est une sorte de substance constituée d'une seule couche d'atomes de carbone étroitement disposés en 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 certaine manière 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 on pense généralement que de tels matériaux bidimensionnels sont difficiles à exister seuls de manière stable, uniquement attaché à la surface du substrat tridimensionnel ou à l'intérieur de substances comme le graphite.Ce n'est qu'en 2004 qu'André Geim et son étudiant Konstantin Novoselov ont retiré une seule couche de graphène du graphite par des expériences que la recherche sur le graphène a atteint un nouveau développement.
Le fullerène (à gauche) et le nanotube de carbone (au milieu) peuvent être considérés comme étant enroulés par une seule couche de graphène d'une manière ou d'une autre, 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 plusieurs façons, et différentes méthodes ont leurs propres avantages et inconvénients.Geim et Novoselov ont obtenu du graphène de manière simple.À l'aide de ruban transparent disponible dans les supermarchés, ils ont retiré le graphène, une feuille de graphite avec 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 on ne peut obtenir que du graphène d'une taille inférieure à 100 microns (un dixième de millimètre), qui peut être utilisé pour des expériences, mais il est difficile à utiliser pour la pratique applications.Le dépôt chimique en phase vapeur peut faire croître des échantillons de graphène d'une taille de dizaines de centimètres sur la surface métallique.Bien que la zone avec une orientation cohérente ne soit que de 100 microns [3,4], elle a été adaptée 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 ℃ sous vide, de sorte que les atomes de silicium près 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 passera à travers.Il est si dense que même les atomes d'hélium (les plus petites molécules de gaz) ne peuvent pas passer à travers.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.
Bien que le graphène n'apparaisse 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 des sciences 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 ?Prenons 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 de nombreux 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 son substitut.Outre les exigences de transparence, de bonne conductivité et de facilité de préparation, si la souplesse du matériau lui-même est bonne, il conviendra à la fabrication de « papier électronique » ou d'autres dispositifs d'affichage pliables.Par conséquent, la flexibilité est également un aspect très important.Le graphène est un tel matériau, qui convient très bien aux 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 cultivé sur la feuille de cuivre est d'abord lié au ruban de dénudage thermique (partie bleue transparente), puis la feuille de cuivre est dissoute par méthode chimique, et enfin le graphène est transféré sur le film PET par chauffage .
Nouvel équipement d'induction photoélectrique
Le graphène a des propriétés optiques très 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 allant de la lumière visible à l'infrarouge.Ce nombre n'a rien à voir avec d'autres paramètres matériels du graphène et est déterminé par l'électrodynamique quantique [6].La lumière absorbée conduira 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 la 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 du graphène pour fabriquer des dispositifs à induction photoélectrique pouvant fonctionner à une fréquence de 10 GHz [8].Dans un premier temps, des flocons de graphène ont été préparés sur un substrat de silicium recouvert de silice de 300 nm d'épaisseur par "tape tearing method", puis des électrodes en or palladium ou 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.
Schéma de principe de l'équipement d'induction photoélectrique au graphène et photos au microscope électronique à balayage (SEM) d'échantillons réels.La courte ligne 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 de 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 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 travail des équipements à induction photoélectrique au graphène a encore une grande marge d'amélioration.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 l'application du graphène émergent les unes après les autres.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 de tous les jours… Le graphène qui sortira progressivement du laboratoire brillera dans la vie de tous les jours.
On peut s'attendre à ce qu'un grand nombre de produits électroniques utilisant du graphène apparaissent dans un futur proche.Pensez à quel point ce serait intéressant si nos smartphones et netbooks pouvaient être enroulés, serrés sur nos oreilles, fourrés dans nos poches ou enroulés autour de nos poignets lorsqu'ils ne sont pas utilisés !
Heure de publication : 09 mars 2022