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GRAPHÈNE

Des propriétés physiques et chimiques exceptionnelles

Dans un cristal bidimensionnel de graphène, chaque atome de carbone est relié à ses trois plus proches voisins par l'intermédiaire d'une solide liaison chimique. La force de la liaison carbone-carbone, responsable par exemple des propriétés mécaniques des fibres de carbone, confère au monofeuillet de graphène des propriétés mécaniques hors du commun : le graphène est extrêmement rigide et résistant (environ 100 fois plus résistant que l'acier). Hors du plan, il est remarquablement flexible, ce qui lui permet de s'adapter à la plupart des substrats, notamment aux substrats souples. Enfin, le graphène est très léger et chimiquement inerte en suspension.

Les propriétés électroniques du graphène sont elles aussi singulières et d’intérêt pour les applications : le graphène n'est ni un métal ni un semi-conducteur. À l'état non dopé, il ne possède pas, à basse température, de porteurs de charge libres susceptibles de se mouvoir sous l'action d'un champ électrique. Des porteurs mobiles, électrons de charge négative ou trous de charge positive, peuvent cependant être induits par dopage chimique (des atomes d’azote peuvent se substituer à quelques atomes de carbone, apportant des électrons au matériau), comme dans les semi-conducteurs usuels, ou par voie électrostatique, en appliquant une tension sur une électrode en regard du film de graphène. Les porteurs ainsi créés se comportent comme des particules de masse nulle et présentent des propriétés fondamentales analogues à celles des particules ultrarelativistes (qui se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière) comme les photons et les neutrinos. Leur vitesse, bien que 300 fois inférieure à celle de la lumière, est plus de 10 fois supérieure à celle des électrons dans les semi-conducteurs usuels, ce qui donne au graphène des atouts considérables pour l'électronique rapide. Électrons et trous se déplacent par ailleurs très librement dans le réseau cristallin car celui-ci comporte peu de défauts grâce à la force de la liaison carbone-carbone. Ainsi, à température ambiante, la mobilité des porteurs – paramètre qui mesure cette vitesse effective – est, pour le graphène, jusqu'à 100 fois supérieure à celle des semi-conducteurs habituels de l'électronique (silicium ou arséniure de gallium). Enfin, du fait de son épaisseur atomique, le graphène est transparent.

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Écrit par

  • : directrice de recherche au CNRS, habilitée à diriger des recherches
  • : maître de conférences, habilité à diriger des recherches, membre de l'Institut universitaire de France

. In Encyclopædia Universalis []. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Structure cristalline du graphène

Structure cristalline du graphène

Exfoliation du graphite pour l’obtention de graphène

Exfoliation du graphite pour l’obtention de graphène

Oxyde de graphène en solution aqueuse

Oxyde de graphène en solution aqueuse

Autres références

  • BOROPHÈNE

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 990 mots
    • 1 média

    Le borophène est une feuille de bore dont l’épaisseur est celle d’un seul atome. Comme le graphène à base de carbone, sa structure bidimensionnelle en fait un matériau de choix pour de futures applications tirant parti de ses remarquables propriétés électroniques. Mais, contrairement au graphène...

  • GEIM ANDRE (1958- )

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 468 mots

    Né le 21 octobre 1958 à Sotchi (Russie), le physicien néerlandais d'origine russe Andre Geim (Prix Nobel de physique en 2010) a passé sa prime enfance chez ses grands-parents maternels, sur le littoral ouest de la mer Noire, avant de rejoindre ses parents à Naltchik, la capitale de la république autonome...

  • GRAPHYNE

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 315 mots
    • 1 média

    Depuis 2004, les graphènes passionnent les physiciens pour leurs propriétés remarquables. Ces feuilles de carbone faites d'une unique couche d'atomes ont une structure en nid-d'abeilles et leurs caractéristiques électroniques et mécaniques très particulières en font un matériau plein d'avenir....

  • NOVOSELOV KONSTANTIN (1974- )

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 400 mots

    Le physicien russo-britannique Konstantin Novoselov (Prix Nobel de physique en 2010) naît le 23 août 1974 à Nizhny Tagil (Russie), une ville industrielle de l'Oural ; sa mère est professeur d'anglais et son père ingénieur à l'usine locale de fabrication des chars d'assaut T34. Enfant curieux et bricoleur...

Voir aussi