Schéma de principe d'un circuit comprenant des rubans de graphène interconnectés (atomes en noir) fabriqués par croissance sélective sur des marches gravées dans un monocristal de carbure de silicium (atomes en jaune). Les électrons (en bleu) ont une trajectoire balistique le long des rubans, puis se déplacent d'un ruban à l'autre par les contacts métalliques. Le courant est modulé par des grilles électrostatiques. © John Hankinson, Georgia Institute of Technology
Sciences

Les nanorubans de graphène font un pas de plus vers l'électronique du futur

ActualitéClassé sous :Physique , prix Nobel de physique 2010 , graphène

Le graphène est un matériau constitué d'une seule couche d'atomes de carbone au potentiel exceptionnel pour une nouvelle électronique. Mais il faudrait notamment pouvoir le produire industriellement sous forme de nanorubans. Des chercheurs russes du mythique MIPT ont trouvé une technique de synthèse en ce sens, prometteuse pour des applications en optique non linéaire.

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[EN VIDÉO] 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. 

Il y a dix dans, deux anciens élèves de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT pour Moscow Institute of Physics and Technology, Московский Физико-Технический институт en russe) recevaient le prix Nobel de physique pour leur découverte du graphène, comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous. Andre Geim et Konstantin Novoselov ne sont pas en poste actuellement au MIPT mais leurs collègues du PhysTech (Физтех) et d'autres instituts russes prestigieux viennent de publier aujourd'hui un article dans The Journal of Physical Chemistry C qui propose une nouvelle méthode pour synthétiser des nanorubans en graphène de haute qualité.

Depuis plus d'une décennie, les laboratoires de par le monde sont dans une course avec le graphène, course dont on espère qu'elle permettra d'aboutir largement à une toute nouvelle électronique avec de multiples ramifications, par exemple en optronique ou spintronique. La Commission européenne ne s'y est pas trompée il y a quelques années en finançant à hauteur d'un milliard d'euros sur dix ans des recherches sur le graphène avec un Projet phare des technologies futures et émergentes (FET Flagship).

Une présentation du graphène et des nanorubans en graphène. © CNRS

Des nanorubans pour rendre le graphène semi-conducteur

Ce matériau, que certains qualifient de miraculeux, semble de prime abord bien anodin car il s'agit simplement d'un feuillet constitué d'une seule couche d'atomes de carbone organisés selon un réseau cristallin hexagonal. On l'obtient en exfoliant du graphite. Mais il possède des propriétés électriques (meilleur conducteur que le cuivre) et mécaniques hors normes (100 à 300 fois plus résistant à la rupture que l'acier) qui en font un concurrent sérieux du silicium. Il permettrait donc, par exemple, de construire des ordinateurs avec écran d'affichage sur une simple feuille de matière plastique enroulable et aurait bien d'autres applications dans le domaine des lasers, des cellules photovoltaïques et même des ordinateurs quantiques. D'autres applications sont possibles avec des dérivés du graphène, comme le montre bien la vidéo ci-dessus.

Une nouvelle électronique cela signifie notamment de pouvoir créer des équivalents des puces des ordinateurs en silicium en espérant qu'elles soient plus performantes et dans l'idéal peu coûteuses, et bien sûr faciles à fabriquer industriellement. Sauf qu'à la base le graphène n'est pas un semi-conducteur, ce qui pourrait sembler être un obstacle rédhibitoire, mais des solutions pour contourner cet obstacle ont été trouvées et les premiers transistors au graphène ont été synthétisés il y a plus d'une décennie.

On peut notamment obtenir du graphène semi-conducteur en l'utilisant sous forme de nanorubans que l'on réalise en découpant des feuillets de graphène ou les parois de nanotubes de carbone qui sont des enroulements de tels feuillets. On peut aussi produire ces nanorubans ab initio à partir d'atomes libres sous forme de vapeur se déposant selon un processus contrôlé. Mais, dans ce cas, on doit utiliser un substrat basé sur des métaux nobles comme l'or, l'argent ou le platine, et la technique nécessiterait l'obtention d'un vide poussé, sans parler d'un rendement peu satisfaisant.

Une autre présentation du potentiel du graphène. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © The University of Manchester – The home of graphene

Vers une production massive de graphène pour l'optronique non linéaire

Toutes ces considérations sont bien résumées dans un communiqué avec des explications du physicien Pavel Fedotov, du laboratoire des matériaux nanocarbonés du MIPT : « Les nanorubans de graphène sont un matériau dont les propriétés intéressent la science fondamentale et promettent des applications dans toutes sortes d'appareils futuristes. Cependant, la technique standard de sa synthèse présente certains inconvénients.

Le maintien d'un vide ultra-poussé et l'utilisation d'un substrat en or sont très coûteux, et la production de matière est comparativement faible.

Mes collègues et moi avons proposé un autre procédé de synthèse des nanorubans dépourvus de défauts dans leur réseau atomique.

Non seulement il fonctionne sous vide normal et avec un substrat en nickel beaucoup moins cher, mais le rendement augmente en raison du fait que les nanorubans sont produits sous forme de films multicouches, plutôt qu'individuellement. Pour séparer ces films en rubans monocouches, ils sont mis en suspension. Surtout, rien de tout cela ne compromet la qualité du matériau. Nous avons confirmé l'absence de défauts en obtenant les profils de diffusion Raman appropriés et en observant la photoluminescence de nos nanorubans. »

Une présentation du MIPT. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © МФТИ — Физтех

La responsable du laboratoire MIPT des matériaux nanocarbonés, Elena Obraztsova, ajoute quant à elle et toujours dans le communiqué du PhysTech : « L'expérience montre qu'une fois qu'un nouveau matériau carboné est découvert, cela signifie de nouvelles propriétés et de nouvelles applications. Et les nanorubans de graphène ne sont pas différents.

Au départ, ils étaient synthétisés à l'intérieur de nanotubes de carbone à paroi unique, qui servaient à limiter la largeur des nanorubans. C'est sur ces nanorubans intégrés que de la luminescence a été initialement démontrée, ses paramètres variant avec la géométrie des nanotubes.

Notre nouvelle approche - le dépôt chimique en phase vapeur ascendant - permet de produire des rubans de graphène ultra-fins en grandes quantités et dans des conditions assez douces : vide modéré, substrat en nickel. Le matériau résultant présente une photoluminescence excitonique brillante. C'est prometteur pour de nombreuses applications en optique non linéaire, que nous allons explorer. »

Pour en savoir plus

Le prix Nobel de physique 2010 pour les découvreurs du graphène

Article de Laurent Sacco publié le 06/10/2010

C'est la physique de la matière condensée qui est à l'honneur cette année avec l'attribution à deux chercheurs d'origine russe du prix Nobel de physique 2010. Découvreurs du graphène, souvent qualifié de « matériau miracle », Andre Geim et Konstantin Novoselov sont tous les deux professeurs à l'université de Manchester (Royaume-Uni).

Parmi les pronostics pour le prix Nobel de physique 2010, on attendait les pionniers de la non-localité et de la décohérence parmi lesquels les noms d'Alain Aspect, Serge Haroche et Anton Zurek émergent nettement, ou encore les découvreurs de l'énergie noire : Adam Riess et Saul Perlmutter. La fondation Nobel a finalement choisi de récompenser d'autres candidats fréquemment proposés aussi pour le Nobel de physique, les découvreurs du graphène : Andre Geim et Konstantin Novoselov.

Andre Geim s'était déjà fait un nom en se voyant attribuer le prix IgNobel 2000 pour... avoir fait léviter une grenouille dans un champ magnétique de 16 teslas. Mais ce qui lui vaut le prix Nobel de physique aujourd'hui, c'est son association avec Konstantin Novoselov, d'abord pour l'obtention du graphène en 2004 et ensuite pour une série de travaux portant sur les propriétés remarquables de ce matériau pourtant composé de simples atomes de carbone.

La physique quantique du graphène. © Vidéos de l'équipe "La Physique Autrement", Julien Bobroff

Un matériau qu'on croyait impossible

Comme son nom l'indique, le graphène s'obtient à partir du graphite et il s'agit d'un simple feuillet en deux dimensions, composé d'atomes arrangés selon un motif hexagonal. Avec leur épaisseur d'un seul atome de carbone, on pensait que de tels feuillets, qui forment par leur empilement le graphite de nos mines de crayon, étaient physiquement impossibles. Un tel matériau contredisait en apparence un résultat mathématique en physique du solide connu sous le nom de théorème de Mermin-Wagner. Ce dernier était une formulation précise d'un argument (étroitement lié aux notions de symétries brisées) donné par un autre prix Nobel de physique, Lev Landau, « démontrant » l'impossibilité d'un réseau cristallin à deux dimensions.

Pourtant, l'obstination de Geim et Novoselov a fini par porter ses fruits lorsque les deux chercheurs ont bel et bien isolé des feuillets de graphène en 2004. Rétrospectivement, on sait que ce théorème d'impossibilité (no go theorem en anglais) ne s'applique pas si le réseau est parcouru d'ondulations.

Une interview de Konstantin Novoselov. © The University of Manchester – The home of graphene

En seulement 6 années, les travaux sur les propriétés du graphène ont explosé, tant elles paraissent miraculeuses. Il faut dire aussi que d'autres stars des nanotechnologies, à savoir les nanotubes de carbone et les fullerènes, sont, respectivement, des feuillets de graphène roulés en cylindre et en forme de sphères.

Une illustration des rapports entre graphène, nanotube et fullerène. © Airi Iliste-The Royal Swedish Academy of Sciences

Des applications innombrables mais souvent encore virtuelles

Pourtant, la situation du graphène est quelque peu paradoxale. D'abord parce qu'on commence tout juste à savoir le produire en grande quantité à bas prix (en 2008, la production d'un seul cm2 aurait coûté 100 millions d'euros environ) et enfin parce que beaucoup des applications proposées, comme un séquençage ultrarapide du génome, ne fonctionnent pour le moment que sur le papier.

Il n'en reste pas moins que des travaux en laboratoires montrent que des transistors en graphène sont potentiellement capables de détrôner les transistors en silicium, ouvrant la voie à des ordinateurs plus performants car plus rapides et plus petits. Étant pratiquement transparent et aussi bon conducteur que le cuivre, le graphène peut servir à réaliser des écrans tactiles, des panneaux lumineux et probablement des cellules solaires.

On s'attend aussi, lorsque seulement 1 % de graphène est mélangé à de la matière plastique, à ce qu'il la rende électriquement conductrice. Sa résistance thermique devrait augmenter de 30˚C, ainsi que sa résistance mécanique (on sait que le graphène lui-même est 200 fois plus résistant que l'acier à la traction). D'intéressants matériaux composites au graphène devraient apparaître dans un avenir proche, avec des applications dans les satellites, les avions et les voitures.

D'un point de vue plus théorique, la mécanique quantique a son mot à dire. En effet, bien que les électrons se déplacent dans le graphène 300 fois plus lentement que la lumière, les conditions auxquelles ils sont soumis imposent de les décrire mathématiquement par l'équation de Dirac, comme pour une particule relativiste presque sans masse ! Il en résulte que l'analogue de certains phénomènes ordinairement rencontrés en théorie quantique des champs relativistes peuvent s'y manifester. On peut donc simuler de la physique des particules avec le graphène. Mieux, des connexions, là aussi de nature analogiques et mathématiques, avec des calculs en théorie des cordes, sont étudiées.

À n'en pas douter, la saga du graphène ne fait que commencer !

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