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.