GRAPHÈNE

Le graphène est un cristal constitué d'un unique plan d' atomes de carbone répartis régulièrement sur un réseau hexagonal en forme de nid d'abeilles. Il constitue la brique élémentaire de nombreuses autres formes (allotropes) du carbone : le graphite est un empilement tridimensionnel (3D) de feuilles de graphène (2D) ; les nanotubes de carbone en sont la forme enroulée (1D) ; enfin, les fullerènes prennent la forme de ballons (0D). En 2004, les physiciens Andre Geim et Konstantin Novoselov réussissent pour la première fois à fabriquer et à observer une feuille de graphène suffisamment grande pour permettre de sonder ses propriétés électroniques et optiques. Pour leurs travaux, ces deux chercheurs de l'université de Manchester reçoivent le prix Nobel de physique en 2010. Le graphène s'est vite avéré être un matériau fascinant, aux propriétés physiques et chimiques exceptionnelles. Depuis sa découverte, il suscite un engouement extraordinaire et donne lieu à des recherches variées, des plus fondamentales aux plus appliquées.

Comment a-t-on isolé le graphène ?

Dès le xix^e siècle, le graphène est identifié comme un sous-produit de certaines réactions chimiques. Sa structure électronique remarquable est calculée théoriquement pour la première fois dans les années 1950. Cependant, il demeure longtemps une curiosité de la physique théorique car les cristaux alors fabriqués sont trop petits pour permettre l’étude de leurs propriétés physiques. La situation change en 2004 lorsque l’on réussit à isoler un feuillet de graphène par exfoliation.

Quiconque a écrit avec un crayon à papier sait qu'il suffit de faire glisser le crayon sur une feuille pour y déposer du graphite. Cela est possible parce que les feuilles de graphène qui composent un cristal de graphite sont faiblement liées les unes aux autres (interactions de type Van der Waals). C'est aussi le principe de la technique très simple mise au point par Geim et Novoselov pour isoler un monofeuillet de graphène par exfoliation : un ruban adhésif est appliqué sur un cristal de graphite très pur ; lorsque l’adhésif est retiré, il emporte des morceaux de cristal extrêmement fins. L'opération est répétée plusieurs fois jusqu'à obtenir un empilement ne contenant que quelques feuilles de graphène sur l’adhésif, qui peuvent alors être déposées sur un support. Une fraction des cristaux ainsi préparés constitue des feuilles dont l’épaisseur est seulement d’un atome de carbone, et dont les dimensions latérales sont comprises entre 5 micromètres (µm) et 1 millimètre de côté.