De minuscules plis pourraient révéler de nouveaux comportements dans le graphène, un matériau exceptionnellement résistant, conducteur et fin, utilisé dans les batteries, les puces informatiques et d’autres dispositifs électroniques. Selon une nouvelle étude publiée dans Advanced Materials, de légères courbures dans la structure bidimensionnelle (2D), ou épaisse d’un seul atome, du graphène peuvent modifier les propriétés électriques du matériau.
L’équipe de physiciens et d’ingénieurs issue de plusieurs institutions, dont le co-auteur correspondant Vincent Meunier, chef du département de sciences de l’ingénieur et de mécanique, titulaire de la chaire P. B. Breneman et professeur à Penn State, rapporte que ce comportement de plissement apporte la preuve de la flexoélectricité. Ce phénomène se produit lorsqu’un matériau se plie de manière inégale — générant un dipôle électrique, c’est-à-dire un système dans lequel deux charges égales et opposées sont séparées par une faible distance. En exploitant cette caractéristique, explique Meunier, les scientifiques pourraient un jour contrôler l’électricité dans les matériaux d’épaisseur atomique — comme le graphène — en modifiant leur forme plutôt qu’en ajoutant de nouveaux produits chimiques ou matériaux, ouvrant la voie à des capteurs plus réactifs et à des dispositifs électroniques ultrafins.
Meunier et son collaborateur Sergei V. Kalinin, aujourd’hui à l’Université du Tennessee, avaient prédit pour la première fois, dans un article publié il y a près de 20 ans dans Physical Review B, qu’une courbure prononcée du graphène pouvait réorganiser les électrons et produire une réponse électrique. À l’époque, cette prédiction était entièrement théorique, mais les progrès de la science permettent aujourd’hui à Meunier et à ses collaborateurs actuels de tester cet effet expérimentalement.
« L’une de mes grandes motivations est de chercher des idées stimulantes à explorer, qui peuvent sembler inaccessibles aujourd’hui mais pourraient trouver des applications des années plus tard », explique Meunier. « Pour observer cet effet concrètement, il faut disposer de matériaux ultra-propres, ce qui, au moment de la prédiction, relevait un peu du rêve inaccessible. Grâce aux avancées des technologies de fabrication, ce rêve est devenu réalité. »
Des années plus tard, Sathvik Ajay Iyengar, auteur principal de la plus récente étude, titulaire d’un doctorat en science des matériaux et nano-ingénierie obtenu à l’Université Rice et aujourd’hui à l’Université de Californie à Berkeley, a réexaminé des données recueillies avec Manoj Tripathi, co-auteur correspondant à l’Université du Sussex et désormais à South Dakota Mines. L’équipe a observé que, pendant leurs expériences, des signaux électriques inhabituels apparaissaient au niveau des plis les plus accentués du graphène. Sathvik a soumis ces résultats à Meunier, qui avait co-dirigé ses travaux doctoraux à l’Université Rice.
« Quand Sathvik m’a montré les mesures qu’il avait recueillies avec Manoj, nous avons compris que ces signaux inhabituels pouvaient établir un lien expérimental avec une idée prédite de nombreuses années plus tôt », raconte Meunier. « J’ai calculé l’effet que nous avions prédit pour la géométrie spécifique et je l’ai comparé à l’expérience : la correspondance s’est révélée presque parfaite. »
En appliquant ces calculs, l’équipe a examiné des plis formés naturellement, dont les courbures sont comprimées dans des espaces de quelques atomes de large seulement, où la courbure extrême peut déplacer les électrons vers un côté du matériau. Selon Meunier, les progrès de la science des matériaux ont permis à l’équipe d’appliquer et de tester cet effet théorique sur des courbures incroyablement minuscules.
« Imaginez que vous pliez une règle souple, sauf que le pli est comprimé dans un espace plus petit qu’un milliardième de mètre », illustre Iyengar. « À cette échelle, les électrons du graphène se déplacent légèrement vers un côté, créant deux faces électriques opposées, comme les extrémités d’une minuscule pile. »
L’équipe de recherche a utilisé des sondes de microscope spécialisées pour mesurer la forme des plis, l’énergie électrique locale et le courant électrique. Elle a également eu recours à la spectroscopie Raman, une technique fondée sur le laser qui révèle comment les atomes sont étirés ou comprimés, ainsi qu’à des simulations réalisées sur le superordinateur Roar de Penn State, afin de prédire comment la courbure modifie le déplacement des électrons. La comparaison des plis fortement courbés avec le graphène plat voisin a permis à l’équipe d’isoler les effets de la courbure.
« Les études antérieures examinaient souvent des courbures plus douces ou reposaient sur une pression externe, ce qui rendait cet effet subtil difficile à isoler », précise Iyengar. « La comparaison des plis fortement courbés avec du graphène plat nous a permis d’identifier clairement le rôle de la courbure extrême. »
Les chercheurs ont découvert que les plis se comportaient comme des rangées de minuscules ralentisseurs électriques. Leurs pointes fortement courbées modifiaient l’énergie électrique locale et produisaient de façon constante un courant électrique dès qu’une tension d’environ un volt était appliquée, en étroite correspondance avec les prédictions des modèles informatiques et des calculs mathématiques.
La réponse électrique dépendait de l’acuité des plis plutôt que de leur hauteur. Les chercheurs ont estimé que la séparation de charges électriques qui en résulte, appelée polarisation, était entre 100 000 et 10 millions de fois plus forte que dans des courbures bien plus grandes, ou systèmes flexoélectriques. La polarisation désigne la séparation des charges électriques positives et négatives au sein d’un matériau.
« Il s’est avéré que l’acuité du pli comptait bien plus que sa taille globale », souligne Iyengar. « Cela nous indique que nous pouvons potentiellement ajuster le comportement électrique en contrôlant soigneusement la courbure à l’échelle nanométrique. »
Cette approche contrôlée pourrait à terme soutenir le développement de capteurs plus sensibles et de dispositifs électroniques ultrafins.
« La nature crée déjà ces minuscules plis pour nous », ajoute Iyengar. « Comprendre comment ils influencent le comportement électrique offre aux scientifiques un outil supplémentaire pour concevoir les technologies de demain en exploitant la structure même d’un matériau. »
Article : Sub-Nanometer Curvature Unlocks Quantum Orbital Flexoelectricity in Graphene – Journal : Advanced Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Parmi les autres auteurs figurent James McHugh, de l’Université de Manchester ; Jonathan Salvage, de l’Université de Brighton ; Robert Vajtai, de l’Université Rice ; Venkataramana Gadhamshetty, de la South Dakota School of Mines and Technology ; ainsi que le co-auteur correspondant Alan Dalton, de l’Université du Sussex.
Source : Penn State U.
