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La vie dissolue du graphène (26/05/2009)

La vie dissolue du graphène (26/05/2009)

Le carbone sous toutes ses formes n’en finit décidemment pas de faire parler de lui ! Après les fullerènes, découverts dans les années 1980, l’essor des nanotubes de carbone dans les années 1990, c’est depuis un petit nombre d’années le graphène qui est sous les feux de l’actualité scientifique. Dans ce domaine en émergence, Cristina Vallés, Alain Pénicaud et leurs collaborateurs de l’équipe « Nanotubes de Carbone » au Centre de Recherche Paul Pascal viennent de mettre au point une méthode originale dite de « dissolution douce » pour obtenir des feuillets individuels de graphène en solution.

Mais d’abord, qu’est-ce que le graphène ? Prenez un morceau de graphite (celui des mines de crayon), et pelez progressivement les couches de carbone superposées formant ce matériau : vous finirez par obtenir une seule couche de graphite bidimensionnel, d’épaisseur monoatomique, appelée graphène. Si le procédé semble simple en principe, ce n’est qu’en 2004 que la première monocouche graphitique a été obtenue par une équipe britannique [1]. L’intérêt soulevé par ce travail a été tel qu’une course scientifique internationale s’est immédiatement engagée et que le nombre de recherches autour du graphène a depuis littéralement explosé [2].

Pourquoi une telle frénésie ? Tout d’abord pour des raisons fondamentales : le graphène, en tant que cristal bidimensionnel, ne devrait pas exister – du moins le pensait-on. D’autre part, un feuillet de graphène est un laboratoire de physique des particules en miniature : il abrite en effet des particules étranges, appelées fermions de Dirac, au comportement à la fois quantique et relativiste. D’ores et déjà, un phénomène prédit il y a 90 ans (effet Klein), mais jamais observé, a pu être mis en évidence.

L’intérêt pour le graphène est tout autant applicatif : les feuillets présentent une telle pureté cristalline, qu’à température ambiante, les électrons s’y déplacent avec une mobilité phénoménale, plus de 100 fois supérieure à celle du silicium de pureté électronique. Cette propriété remarquable, et quelques autres, ont instantanément attiré l’attention des grands industriels de la microélectronique, à la recherche d’un successeur à la technologie du silicium qui approche inexorablement de ses limites ultimes.

Pour de telles applications, un des obstacles majeurs est de trouver un procédé de fabrication qui puisse être transposé à grande échelle. Outre la voie par pelage, existent des techniques d’épitaxie en phase vapeur (CVD) ou de graphitisation de surface du carbure de silicium, mais les feuillets de graphène ainsi obtenus sont irrémédiablement collés à leur support.

Les chercheurs du Centre de Recherche Paul Pascal ont abordé le problème par une voie de dissolution douce du graphite. En étendant l’approche qu’ils avaient appliquée pour individualiser des nanotubes de carbone en solution [3], l’idée est de partir d’un composé d’intercalation du graphite, où des ions potassium sont intercalés entre les plans de la structure (Fig.1). Une fois plongé dans un solvant organique (la N-méthyl pyrolidone), sous l’action de l’entropie qui tend à libérer les ions potassium, le graphite intercalé se dissout spontanément, conduisant à des solutions de feuillets de graphène individualisés (Fig. 2). Cette méthode originale, qui ne nécessite aucune énergie mécanique, permettra peut-être, à terme, de fournir de grandes quantités d’échantillons de graphène pour l’électronique et les composites. Ces travaux ont fait l’objet d’un brevet et ont été publiés dans le Journal of the American Chemical Society [4].

Figure 1. Schéma de la dissolution douce du graphite : Un composé d’intercalation est synthétisé puis exposé à un solvant organique, dans lequel les plans de graphène chargés sont exfoliés spontanément, passant ainsi en solution.

Figure 2. Image de microscopie à force atomique d’un ruban de graphène déposé depuis une solution sur une surface de mica.

Références : [1] K.S. Novoselov et al. Science vol. 306, p. 666 (2004).
[2] A.K. Geim et K.S. Novoselov. Nature Materials vol 6, p. 183 (2007).
[3] A. Pénicaud, P. Poulin, A. Derré, E. Anglaret et P. Petit. J. Am. Chem. Soc. vol 127, p. 8 (2005).
[4] “Solutions of Negatively Charged Graphene Sheets and Ribbons”, C. Vallés, C. Drummond, H. Saadaoui, C.A. Furtado, M. He, O. Roubeau, L. Ortolani, M. Monthioux, A. Pénicaud. J. Am. Chem. Soc. vol. 130, p. 15802 (2008).

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