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Un capteur magnétique devenu ultrasensible grâce au graphène

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Flexible, léger, résistant (y compris au feu) et remarquablement conducteur : depuis qu'il a été isolé pour la première fois il y a plus de 10 ans, le graphène fascine. À l'occasion de la dernière Graphene Week, une équipe de chercheurs allemands a annoncé s'être appuyée sur ce matériau aux propriétés exceptionnelles pour développer un capteur magnétique ultrasensible.

À l'occasion de la 10e Graphene Week, qui s'est tenue à Manchester (Royaume-Uni) du 22 au 26 juin 2015, une équipe allemande a annoncé avoir mis au point un capteur magnétique ultrasensible à base de graphène. © Graphene Flagship

En 2004, c'était à Manchester et à l'aide d'un simple morceau de Scotch, que des scientifiques anglais avaient, pour la toute première fois, isolé du graphène à partir d'un bloc de graphite brut. La semaine dernière, toujours à Manchester, des chercheurs -- allemands cette fois -- ont annoncé avoir mis au point une nouvelle génération de capteurs magnétiques, à base de graphène bien sûr. Des capteurs qui, selon eux, seraient cent fois plus sensibles que leurs homologues à base de silicium.

Le développement a été présenté à l'occasion de la 10e Graphene Week. Il est le fruit d'un travail de collaboration entre le Max-Planck Institute for Solid State Research et la société Bosch. Pression, accélération, température, humidité : Bosch est l'un des spécialistes mondiaux des capteurs. Pour améliorer les performances de ses produits, la société a choisi de miser sur les matériaux à deux dimensions comme le graphène. Un choix aussi audacieux que judicieux. De par sa structure même, le graphène, en effet, semble être un matériau idéal pour entrer dans la conception de capteurs. Car, chacun des atomes qui composent un matériau à deux dimensions est exposé à son environnement immédiat. De quoi détecter avec précision les événements les plus fugaces.

Le cas des capteurs magnétiques est un peu différent. Ceux-ci reposent en général sur un phénomène physique connu sous le nom d'effet Hall. Rappelons que l'effet Hall veut qu'il apparaisse une différence de potentiel mesurable lorsqu'un semi-conducteur parcouru par un courant est plongé dans un champ magnétique. Les performances de tels capteurs dépendent à la fois du nombre de porteurs de charge présents dans le semi-conduteur et de leur mobilité. Et c'est sur ce dernier point que le graphène fait fort puisque, les spécialistes le savent, ses porteurs de charge sont étonnamment mobiles.

Pour mesurer des champs magnétiques intenses, les capteurs exploitent l'effet Hall. Sur le dessin, un capteur (2) parcouru par un courant électrique (1 et 3) est placé dans un champ magnétique (4) généré par des aimants (3). Sous l'effet du champ magnétique, une différence de potentiel apparaît au sein du capteur (charge négative en bleu, charge positive en rouge). © Peo, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0

Des capteurs aussi efficaces que ceux à base de silicium

Pour espérer produire à grande échelle des capteurs à base de graphène, encore fallait-il imaginer un procédé industrialisable. La méthode traditionnelle de production dite par exfoliation mécanique, celle employée par les chercheurs de Manchester en 2004, n'est en effet pas compatible avec ce type d'applicationsIdem concernant la méthode par exfoliation chimique. Les ingénieurs de Bosch ont donc préféré à ces solutions top-down (approche descendante), d'autres, plutôt classées dans la catégorie bottom-up (approche ascendante). La méthode dite de décomposition thermique de cristaux de carbure de silicium s'est révélée intéressante. Mais, la méthode dite de dépôt chimique en phase vapeur sur un substrat métallique semble être la plus appropriée. Pour des raisons de coûts et de performances techniques, les équipes de Bosch et du Max-Planck Institute ont travaillé avec des substrats de nitrure de bore hexagonal.

Les résultats de l'étude montrent que, dans le cas le plus défavorable, les capteurs à base de graphène se révèlent aussi efficaces que leurs homologues à base de silicium. Dans le meilleur des cas, les capteurs à base de graphène présentent des performances étonnantes tout en consommant, à sensibilité égale, une quantité d'énergie bien inférieure à celle consommée par les capteurs à base de silicium. Concrètement, les capteurs nouvelle génération sont cent fois plus sensibles que leurs prédécesseurs.

Les spécialistes de Bosch estiment qu'il faudra encore patienter quelque 5 à 10 ans et l'arrivée à maturation, notamment des technologies liées au dépôt chimique, pour voir apparaître sur le marché des capteurs magnétiques à base de graphène. Mais ils y croient. Et, à l'occasion de la Graphene Week, la société espère bien avoir fait passer le message à la communauté concernée : les efforts doivent maintenant se concentrer sur les savoir-faire en matière d'intégration de graphène dans des dispositifs destinés à être produits à grande échelle.

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