Le graphite est une des multiples formes simples que peut prendre l’élément chimique présent dans tous les êtres vivants : le carbone.
Sa structure, connue depuis bien longtemps des chimistes, est constituée de plans monoatomiques de carbone liés par un réseau cristallin en nid d’abeilles, empilés les uns sur les autres à la manière d’un mille-feuille… Il y a 7 ans, les chercheurs ont réussi à isoler un seul de ces plans et à l’étudier en tant qu’objet individuel : le graphène était né.
Le graphène est donc un plan de carbone atomiquement fin, stable à l’air et relativement manipulable et transférable sur tout autre matériau. Ce cristal à deux dimensions possède des propriétés optiques, thermiques, mécaniques et électroniques très originales que lui confère sa structure ultimement fine.
Ses propriétés électroniques sont à la frontière entre un métal et un semi-conducteur. En effet, il conduit bien le courant électrique mais la quantité de charge disponible pour le transport dépend fortement des conditions extérieures. Les électrons s’y déplacent à très grande vitesse tout en restant en surface puisqu’il n’y a aucun volume disponible : ils sont donc très sensibles à l’environnement chimique ou électromagnétique, et peuvent également interagir avec des éléments chimiques placés en surface. Cette sensibilité peut être mise à profit pour réaliser des transistors ultra-rapides et des capteurs physico-chimiques.
Plusieurs équipes de l’Institut Néel synthétisent du graphène suivant différentes techniques de croissance : croissance catalytique à la surface du cuivre par craquage à haute température d’une vapeur de méthane et d’hydrogène ; condensation du carbone à la surface du carbure de silicium (SiC) chauffé sous vide. Le feuillet de graphène est ensuite reporté sur un substrat de verre, de plastique ou de silicium permettant d’étudier ses propriétés optiques, mécaniques et électriques par diverses méthodes. Par exemple, connecté à des électrodes, les chercheurs mesurent sa conductance électrique dans des conditions extrêmes, notamment à très basse température ou sous un haut champ magnétique, pour révéler les interactions entre électrons qui sont régies par des lois spécifiques à ce matériau.
De nouvelles expériences et des applications inattendues pourront voir le jour avec le graphène. Parmi les exemples récents obtenus à l’Institut Néel : un oscillateur, suspendu à la manière d’une membrane formant des peaux de tambour. Ce « tambour » en graphène est susceptible de vibrer à très haute fréquence sous l’action de micro-ondes. Il pourrait également être reporté sur une vitre formant une peau étanche, transparente et conductrice, pour des affichages numériques.
