GRAPHÈNE

Le graphène est un cristal constitué d'un simple 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 : ainsi le graphite de nos mines de crayon ou des réacteurs nucléaires est un empilement régulier de feuilles de graphène ; les fullerènes et les nanotubes de carbone – découverts respectivement en 1985 et 1991 – sont obtenus en refermant une feuille de graphène comme un ballon de football ou en l'enroulant sur elle-même. Konstantin Novoselov et Andre Geim ont réussi, en 2004, à fabriquer et à observer une unique feuille de graphène suffisamment isolée de son environnement pour pouvoir être considérée comme libre. Pour ces travaux, ces deux chercheurs de l'université de Manchester ont reçu le prix Nobel de physique en 2010. Le graphène s'est vite avéré être un matériau fascinant, aux propriétés mécaniques et électroniques exceptionnelles. Depuis 2004, il suscite un engouement extraordinaire et donne lieu à des recherches variées, des plus fondamentales aux plus appliquées.

Comment obtient-on le graphène ?

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. Ceci est possible parce que les feuilles de graphène (fig. 1a) qui composent un cristal de graphite sont faiblement liées les unes aux autres. C'est aussi le principe de la technique mise au point par Geim et Novoselov, appelée exfoliation, paradoxalement d'une grande simplicité. Un banal ruban de scotch est utilisé pour arracher des feuilles de graphène d'un cristal de graphite très pur et obtenir ainsi un cristal très fin. L'opération est répétée plusieurs fois jusqu'à obtenir sur le scotch un empilement contenant au plus quelques feuilles de graphène. Celles-ci sont alors déposées, toujours par exfoliation, sur du silicium rendu isolant par une fine couche d'oxyde de silicium. La plupart des morceaux de graphite transférés sur le substrat sont des multicouches de graphène. Cependant, certains morceaux, dont la surface peut atteindre le millimètre carré, sont des monofeuillets. Ils peuvent être repérés au microscope optique car, quand l'épaisseur d'oxyde est bien choisie (285 nm), différentes nuances de couleur sont associées aux différentes épaisseurs de graphène (fig. 1b). La microscopie à force atomique ou la spectroscopie Raman permettent ensuite à coup sûr de distinguer les monofeuillets des multifeuillets.

Presque simultanément, du graphène a également été obtenu par graphitisation thermique de la surface d'un cristal semiconducteur de carbure de silicium (SiC). Lorsqu'un tel cristal est chauffé à plus de 1 000 ⁰C, les atomes de silicium de la surface s'évaporent tandis que les atomes de carbone se réarrangent pour former une ou plusieurs couches de graphène très peu couplées les unes aux autres et avec le substrat (fig. 1c). On parle alors de graphène épitaxié par opposition au graphène exfolié décrit plus haut. On sait maintenant obtenir des films de graphène épitaxié sur des substrats de diamètre 4 pouces, ce qui permet d'envisager des applications industrielles.

Du graphène peut également être produit par croissance chimique en phase vapeur (C.V.D., pour Chemical Vapour Deposition) sur des films métalliques (cuivre par exemple). Dans ce type de croissance, le métal catalyse le craquage d'une vapeur d'hydrocarbure et collecte les atomes de carbone qui s'organisent en un cristal de graphène. Des films de graphène d'une surface d'environ un mètre carré ont été obtenus et on sait depuis 2009, séparer le graphène de son substrat métallique pour le déposer sur un matériau plus adapté à la microélectronique, ce[...]