Le graphène ou la révolution programmée de l’électronique : c’est pour bientôt

Thibaut Lalire, IMT Mines Alès – Institut Mines-Télécom

« Matériau du XXI^e siècle », « matériau révolutionnaire », voici comment le graphène est caractérisé depuis sa découverte en 2004 par Konstantin Novoselov et Andre Geim. Les travaux sur le graphène de ces deux scientifiques leur ont valu le prix Nobel de physique en 2010, mais qu’en est-il réellement, 17 ans après cette découverte ?

Le graphène est mondialement connu pour ses propriétés remarquables, que ce soit mécanique, thermique et électrique. Sa parfaite structure en nid d’abeille composée d’atomes de carbone est la raison pour laquelle le graphène est un matériau performant dans de nombreux domaines. Sa morphologie, sous forme de feuillet épais de l’ordre d’un atome, lui permet d’intégrer la famille des matériaux 2D. Les industriels ont, depuis sa découverte, accentué la recherche autour du matériau. Des applications variées ont pu voir le jour, notamment en exploitant les performances électriques du graphène. Plusieurs secteurs sont visés, comme l’aéronautique, l’automobile et la télécommunication.

Y a-t-il du graphène dans l’avion ?

Le graphène est exploité pour son statut de champion de la conductivité électrique, mais également pour sa faible densité et sa flexibilité. Ces propriétés lui ont permis de rejoindre le club très fermé des matériaux utilisés dans le domaine de l’aéronautique.

Les éclairs et l’accumulation de glace sur la coque sont des problèmes fréquemment rencontrés lorsque les avions sont en haute altitude. L’impact de la foudre sur une surface non conductrice cause de graves dommages pouvant aller jusqu’à l’inflammation de l’appareil. L’ajout de graphène, de par sa haute conductivité électrique, permet de dissiper ce courant de haute énergie. Le design des avions est conçu de telle sorte à acheminer le courant le plus loin possible des zones à risques, réservoirs de carburant, câbles de commande et éviter ainsi la perte de contrôle de l’appareil, voire l’explosion.

L’histoire du graphène commence ici. Umberto/Unsplash, CC BY

Un revêtement composé d’une résine renforcée par du graphène, on parle alors de « nanocomposite », est utilisé en remplacement des revêtements métalliques. En effet, sa faible densité permet d’obtenir des matériaux plus légers que ceux d’origine, limitant la masse de l’appareil et donc la consommation de carburant. Les matériaux conducteurs électriques, nécessaires pour dissiper l’énergie de la foudre, présentent par contre l’inconvénient de réfléchir les ondes électromagnétiques empêchant l’utilisation de ce type de matériau pour des applications furtives dans le secteur militaire.

Pour remédier à ce défaut, différentes formes du graphène ont été élaborées permettant de conserver sa conductivité électrique tout en améliorant la furtivité. La « mousse de graphène » figure parmi ces nouvelles structurations. L’onde pénètre le matériau, un phénomène de réflexions de cette dernière dans toutes les directions de l’espace la piège et atténue progressivement ses traces. Il n’y a aucun retour possible de l’onde jusqu’au radar, l’appareil devient furtif, et on parle de « blindage électromagnétique ».

Du graphène pour le stockage d’énergie

Le graphène a également largement trouvé sa place dans le domaine du stockage d’énergie électrique.

Le graphène est un candidat idéal en tant qu’électrode pour les batteries Li-ion et les supercondensateurs. D’une part car sa conductivité électrique est élevée, d’autre part car sa haute surface spécifique (correspondant à la surface disponible sur le graphène pour accueillir les ions et favoriser l’échange des électrons entre l’électrode en graphène et le lithium) permet d’obtenir une grande « capacité de stockage ». En effet, un grand nombre d’ions peuvent facilement s’insérer entre les feuillets de graphène, ce qui permet d’échanger plus d’électrons avec le collecteur de courant, augmentant la capacité de stockage d’électricité et donc l’autonomie de la batterie. La facilité des ions à s’insérer dans l’électrode de graphène et la conductivité électrique élevée de cette dernière (pour un transfert d’électrons rapide) permettent un cycle décharge/charge beaucoup moins long de la batterie. La haute conductivité du graphène permet de délivrer une grande quantité d’énergie en très peu de temps permettant ainsi d’augmenter la puissance des supercondensateurs. Le graphène est aussi un bon conducteur thermique, ce qui limite la montée en température des batteries en dissipant de la chaleur.

Les batteries électriques sont de plus omniprésentes dans la vie moderne. Le graphène pourrait améliorer leurs performances. Markus Spiske/Unsplash, CC BY

À l’échelle industrielle, il existe déjà une batterie externe élaborée par Real Graphene, affichant une recharge complète d’un téléphone portable en 17 minutes. Dans un tout autre domaine, Mercedes travaille sur un prototype de voiture avec une batterie composée d’électrodes en graphène, annoncée avec une autonomie de 700 kilomètres pour une recharge de 15 minutes – à l’heure actuelle, ces valeurs semblent surprenantes à première vue, surtout pour des véhicules électriques nécessitant des batteries à capacité de stockage élevées.

Trouver sa place en électronique

Là où le graphène peine à se démarquer par rapport au semi-conducteur, c’est dans le domaine de l’électronique. Ses propriétés électroniques – dues à sa « structure de bande » – rendent le contrôle des électrons impossibles et le graphène se comporte alors comme un semi-métal. De ce fait, l’utilisation du graphène pour l’électronique binaire – numérique – reste compliquée, en particulier pour les transistors, plutôt constitués de semi-conducteurs.

Pour utiliser du graphène dans un transistor, il faut modifier sa structure de bande, ce qui a généralement pour conséquence de dégrader sa structure en nid d’abeille et ses autres propriétés électriques. Si l’on souhaite conserver cette structure 2D, il faut changer la nature chimique des atomes composant le matériau en utilisant par exemple le nitrure de bore ou les dichalcogénures de métaux de transition, qui font également partie de la grande famille des matériaux 2D.

Microscopie de l’interface entre du graphène et du nitrure de bore (h-BN). Oak Ridge Natinal Laboratory, Flickr, CC BY

Si l’on souhaite néanmoins utiliser du graphène, il faut viser des applications dans lesquelles des propriétés mécaniques (flexibilité) seront également recherchées comme pour les capteurs, les électrodes et certains transistors réservés à l’électronique analogique, comme les transistors de graphène à effet de champ. Les géants de la téléphonie travaillent également sur l’élaboration d’écrans de téléphone portable flexibles pour une meilleure ergonomie.

La fabrication des prochains ordinateurs quantiques pourrait bien faire appel aux matériaux appelés « isolants topologiques ». Ce sont des matériaux conducteurs électriques en surface, mais isolants au cœur. Les recherches s’accentuent actuellement sur la phase topologique du graphène avec une conduction électrique uniquement sur les bords.

La diversité des applications du graphène démontre tout le potentiel de ce matériau et permet d’envisager de nouveaux horizons dans des domaines différents tels que l’optoélectronique et la spintronique.

Ce matériau a déjà pu faire ses preuves dans le milieu industriel sans pour autant le révolutionner à l’heure actuelle. Cependant, les recherches en cours permettent de découvrir chaque année de nouveaux champs d’applications possibles. En parallèle, des méthodes de synthèses se développent constamment pour réduire le prix du graphène au kilogramme et permettre l’obtention d’un matériau de meilleure qualité.

Thibaut Lalire, Doctorant sciences des matériaux, IMT Mines Alès – Institut Mines-Télécom

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.