Pour que les propriétés étonnantes du graphène puissent enfin être exploitées à l’échelle industrielle, les chercheurs doivent mettre au point un process de fabrication suffisamment simple et bon marché. Les uns suggèrent de le synthétiser en structure multicristalline, les autres sous la forme d’une dispersion aqueuse. © Rost9, Shutterstock

Tech

Eau de graphène : une méthode de fabrication « révolutionnaire »

ActualitéClassé sous :technologie , chimie , graphène

Le graphène offre des perspectives étonnantes dans bien des domaines, comme chacun peut le savoir aujourd'hui. Malheureusement, il reste encore délicat et coûteux à produire. La donne changera-t-elle grâce à cette « eau de graphène » mise au point par une équipe de chercheurs français, qui utilisé de façon orignale le solvant le plus courant et le plus inoffensif de la planète.

Conductivité électrique, résistance mécanique, conductivité thermique, légèreté. Le graphène semble présenter toutes les qualités. Pourtant, la couche unique d'atomes de carbone qui constitue ce matériau reste encore difficile à isoler. Sa réalisation est difficile et trop coûteuse pour envisager de réelles applications à l'échelle industrielle.

Pour contourner le problème, des chercheurs français du Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS, université de Bordeaux) et du laboratoire Charles Coulomb (CNRS, université de Montpellier) ont imaginé une stratégie de production par voie liquide, à l'image de ce qui a pu être fait pour les nanotubes de carbone« L'idée — intercaler des ions potassium entre les plans d'une structure de graphite pour, par action de l'entropie, la dissoudre spontanément — n'est pas nouvelle », précise Carlos Drummond, chercheur au Centre de recherche Paul Pascal. « D'autres l'ont exploité avant nous, mais sur la base de solvants le plus souvent loin d'être neutres. »

La méthode de fabrication imaginée par des chercheurs français permet d’obtenir des dispersions de graphène monocouche à des concentrations de 400 m2 par litre. En rouge et blanc sur l'illustration, les ions OH- et en mauve, les ions K+. © Alain Pénicaud, Centre de recherche Paul Pascal (CNRS — Université de Bordeaux)

De l'eau de graphène pour applications industrielles

Or, s'il est un solvant neutre, c'est bien l'eau qui a été employée par l'équipe française. De l'eau dégazée — c'est-à-dire privée des gaz qui y sont naturellement dissous —, mais de l'eau tout de même. Dans cette eau de graphène donc, les ions OH- se fixent à la surface du matériau et chargent ainsi électriquement ces feuillets. De quoi éviter qu'ils ne se réaggrègent en graphite.

L'eau de graphène est présentée comme la première formulation de graphène en couche unique, sous forme de dispersion aqueuse stable à l'air et facilement manipulable. Le graphène ainsi obtenu devrait pouvoir être exploité de la même façon que du graphène classique . Avec l'avantage de taille d'être plus économique et plus simple à produire...

Pour en savoir plus

Samsung tient-elle son procédé de production à échelle industrielle ?

Article de Marc Zaffagni paru le 08/04/2014

Des chercheurs de Samsung ont collaboré avec l'université sud-coréenne Sungkyunkwan (Séoul) pour mettre au point une méthode de fabrication du graphène en monocristal qui permet d'envisager la production de masse de grandes surfaces sans altérer les propriétés de ce matériau. Une avancée très importante qui ouvre la voie à l'usage du graphène pour fabriquer des écrans flexibles des objets connectés et, à terme, peut-être remplacer le silicium.

Découvert il y a dix ans, le graphène est un matériau dont les qualités électriques et mécaniques en font le candidat idéal à une révolution de l'électronique. Parmi les avancées les plus récentes, citons les travaux du CNRS, de l'université de Lorraine et du synchrotron Soleil sur les nanorubans de graphène, ou ceux d'IBM Research qui est parvenu à créer la première puce radio fonctionnelle avec des transistors en graphène. Ajoutons encore les tests menés au MIT pour dessaler l’eau de mer grâce à des membranes en graphène.

Reste que malgré ses qualités intrinsèques, le graphène est encore difficilement exploitable en raison des contraintes inhérentes à sa fabrication. L'un des défis majeurs est de trouver une méthode de production à grande échelle qui préserve ses propriétés. Justement, Samsung vient d'annoncer « la percée la plus importante dans l'histoire de la recherche sur le graphène ». Par l'intermédiaire de son Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), le géant coréen a collaboré avec l'université Sungkyunkwan de Séoul sur une méthode de production qui devrait accélérer la commercialisation du graphène. Samsung promet que cette avancée permettra d'employer le graphène pour la fabrication d'écrans flexibles ou encore de vêtements et objets connectés, voire de remplacer le silicium dans les semi-conducteurs.

Les qualités électroniques du graphène en font un candidat sérieux au remplacement du silicium. Récemment, IBM est parvenu à fabriquer une puce radio dont le transistor (à l’image) est fait de graphène. Les chercheurs d’IBM Research ont inversé le processus de fabrication du semi-conducteur en commençant par intégrer les composants métalliques comme le condensateur (capacitor) et l’inducteur (inductor) pour terminer par le transistor en graphène (GFET, graphene field-effect transistor), ce qui évite de l’endommager. © IBM Research

Monocristal de graphène à l’échelle d’un wafer

« Le graphène offre une mobilité des électrons 100 fois supérieure à celle du silicium, le matériau actuellement le plus utilisé dans les semi-conducteurs. Il est plus résistant que l'acier, possède une haute conductivité de la chaleur et une flexibilité, ce qui en fait le matériau parfait pour les écrans flexibles, les vêtements et objets connectés et de futurs générations d'appareils électroniques », écrit Samsung dans son billet de blog annonçant son innovation, qui porte sur le procédé de fabrication à grande échelle. Jusqu'à présent, la méthode de fabrication du graphène sur de grandes surfaces consistait à le synthétiser en structure multicristalline. Problème : cette technique détériore les propriétés électriques et mécaniques du graphène en raison des ruptures qu'elle provoque au niveau des points de jonction entre les cristaux.

Dans un article scientifique publié par la revue Science, les chercheurs décrivent leur technique pour fabriquer de grandes surfaces de graphène monocristallin à l'échelle d'une galette de silicium, ou wafer, sans altérer les qualités électriques et mécaniques. Les germes de graphène sont déposés sur une couche de germanium dont l'anisotropie favorise un alignement unidirectionnel des germes. Ils fusionnent alors en monocristal.

L'autre avantage est la faible interaction entre le graphène et la couche de germanium, qui permet un transfert à sec et la réutilisation du substrat en germanium. « Nous pensons que cette découverte va accélérer la commercialisation du graphène, ce qui pourrait ouvrir une nouvelle ère de l'électronique grand public », estime Samsung. La firme coréenne pense même que sa découverte pourrait lever la dépendance de l'industrie des semi-conducteurs à l'égard du silicium. Pour autant, aucune feuille de route n'est communiquée pour la mise en œuvre de ce nouveau procédé.

Les étonnantes propriétés quantiques du graphène  Le graphène est un matériau composé d’une seule couche d’atomes de carbone. Il a notamment des propriétés électriques étonnantes. Découvrez en vidéo, grâce à Tout Est Quantique, les secrets du graphène.