Les graphènes : chimie, procédés, propriétés

Les propriétés physiques (électrique, optique, mécanique, etc.) du graphène sont exceptionnelles. En effet, le comportement des électrons dans le graphène est très différent de celui des électrons dans les autres solides conducteurs. Dans le graphène, tout se passe comme si les électrons avaient une masse nulle et se déplaçaient à une vitesse proche de celle de la lumière. Les électrons dans ce matériau ont à la fois un comportement quantique et relativiste et se déplacent avec des mobilités gigantesques. Le graphène présente aussi un effet Hall quantique à température ambiante. Les feuillets de graphène sont légers (le papier est mille fois plus lourd), flexibles, quasiment transparents, et possèdent une résistance à la rupture cent fois supérieure à celle d’une couche d’acier de la même épaisseur. Ce matériau possède à ce jour la meilleure conduction thermique ; il est vingt fois meilleur conducteur de chaleur que la feuille d’aluminium. L’étude de ce matériau très original supposait la reconstruction de la théorie des solides afin de pouvoir mesurer et interpréter la plupart de ses propriétés.

Ces nouveaux matériaux sont très prometteurs et ont déjà de nombreux domaines d’application tels que l’informatique et la communication, l’affichage, l’énergie, le photovoltaïque, l’aéronautique, l’automobile, l’environnement, la santé, la sécurité… En particulier, les graphènes sont des matériaux très attractifs pour l’électronique rapide haute fréquence et les résonateurs. Les graphènes sont des conducteurs transparents particulièrement intéressants pour des dispositifs électroniques flexibles (écrans tactiles et écrans souples). Une société en Asie produit déjà des écrans souples de 30 pouces (≈ 75 cm) transparents et conducteurs par dépôt CVD. Dans le domaine de l’énergie, des prototypes de batteries et de supercondensateurs dont l’un des composants est le graphène ont déjà été élaborés et testés. Des composites ultralégers et conducteurs à base de graphène ont permis d’élaborer des encres et des papiers. D’autres applications dans les domaines de l’automobile, de l’aviation sont également en cours de développement. Les excellentes propriétés mécaniques de ces matériaux ont été mises à profit dans la réalisation de gilets de protection et de blindages. Les graphènes sont aussi utilisés dans l’élaboration de membranes sélectives et de tamis moléculaires, de capteurs chimiques et biochimiques. Ces matériaux étant biocompatibles, les graphènes hybridés sont testés pour le diagnostic et le traitement de maladie graves en nanomédecine ou comme composants dans des revêtements antibactériens ou anti-champignons. Des transistors à base de graphènes pour la bioélectronique et les prothèses neuronales ont été récemment élaborés. Ils permettent de restaurer des capacités endommagées telles que l’audition et la vision ou peuvent aider à trouver des solutions pour le traitement des handicaps moteurs ou des pathologies cérébrales. L’exploitation de ces nombreuses propriétés est cependant encore limitée par la production du graphène.

En effet, bien que l’exfoliation micromécanique demeure une méthode importante pour produire du graphène « vierge » de très grande qualité dans le but de réaliser des études fondamentales en physique, cette méthode se caractérise par une faisabilité à petite échelle et un fort coût. La préparation du graphène en quantités relativement importantes (quelques grammes ou plus) ou mis en forme sur des substrats plans de grande dimension reste encore difficile. Le développement des dispositifs commerciaux à base de graphène est donc dominé de ce fait par l’optimisation du quatuor chimie/procédé/qualité/coût. La chimie des graphènes est en plein développement. Il s’agit de produire du graphène avec la qualité et les propriétés nécessaires pour une application ciblée, en privilégiant les systèmes versatiles qui permettront l’ajout sur mesure d’autres fonctionnalités. Les propriétés des graphènes obtenus dépendent des procédés d’élaboration qui ont des coûts et des capacités de production variables. Ils doivent optimiser le coût en énergie et la transférabilité technique. La maîtrise du transfert et de l’intégration du graphène dans les dispositifs sans dégradation fait aussi partie des défis qui doivent être relevés. Dans ce contexte, nous avons analysé les différentes approches chimiques et physiques permettant d’obtenir des graphènes et illustré les propriétés des dispositifs résultants sur la base d’une littérature très récente.

On distingue deux grandes voies dans les méthodes de synthèse et les procédés permettant l’obtention des graphènes : la voie descendante (top-down) au cours de laquelle on va fractionner la matière afin d’obtenir des feuillets de graphènes de différentes compositions (graphène, oxyde de graphène, oxyde de graphène réduit) et la voie ascendante (bottom-up) au cours de laquelle le graphène est construit par assemblage de petites entités atomiques ou moléculaires. Les stratégies top-down mettent en jeu l’exfoliation micromécanique du graphite (scotch), la sublimation du silicium à partir de SiC avec contrôle par épitaxie (rendement faible, fort coût, pureté élevée, substrats très couteux, procédé haute température), l’exfoliation en phase liquide du graphite ou de l’oxyde de graphite assistée ou non par ultrasons, électrochimie, ou par malaxage à fort cisaillement (bonne faisabilité à grande échelle, faible coût, pureté faible, densité de défauts élevée, dans certains cas une étape de réduction chimique est nécessaire), l’ouverture (dézippage) de nanotubes de carbone ou de fullerène (rendement élevé, pureté élevée, potentiellement à faible coût, essais au niveau du laboratoire uniquement). Les nombreuses stratégies mettant en jeu des processus d’exfoliation assistés chimiquement nécessitent la réduction des oxydes de graphène généralement obtenus en graphène. Les stratégies bottom-up mettent en jeu des dépôts chimiques en phase vapeur (CVD) sur un métal comme le nickel, le cuivre ou le cobalt (faisabilité à grande échelle récemment démontrée, coût élevé, pureté élevée, procédé haute température), la synthèse macromoléculaire en solution ou sur substrat (rendement élevé, pureté élevée, essais au niveau du laboratoire, potentiellement à coût raisonnable).