Des graphènes sensibles à la lumière

Quand le graphène rencontre des interrupteurs moléculaires pilotés par la lumière.

Des chercheurs du Laboratoire de nanochimie et du Laboratoire de chimie et des biomatériaux supramoléculaires de l'Institut de science et d'ingénierie supramoléculaires (CNRS / Université de Strasbourg), en collaboration avec l'Université de Mons (Belgique), l'Université de Cambridge (Royaume-Uni), le CNR et l'Université de Bologne (Italie), ont montré qu'il est possible de créer des dispositifs à base de graphène sensibles à la lumière, ouvrant ainsi la voie à de nombreuses applications comme les photodétecteurs et les mémoires à commande optique. Ces travaux sont parus dans la revue Nature Communications.


Contrôler à distance par une simple exposition à la lumière la conduction électrique d'un dispositif à base de graphène pourrait constituer la première étape vers le développement de matériaux multicomposants et leur utilisation pour la fabrication de dispositifs multifonctionnels. Pour cela, on peut imaginer une structure en mille-feuille constituée de feuillets conducteurs de graphène séparés par des couches intégrant des molécules fonctionnelles qui se transforment de manière réversible sous l'action de la lumière.

Pour jouer le rôle d'interrupteur moléculaire, les chercheurs ont choisi la molécule 4-(décyloxy)azobenzène. Cet azobenzène équipé d'une longue chaîne aliphatique est disponible dans le commerce et présente une forte affinité pour le graphène. On peut donc penser que lors de la production de graphène par exfoliation du graphite, cette molécule va s'intercaler entre les différents plans de graphène (voir Figure). De plus, ce composé passe de l'isomère trans à cis lorsqu'il est exposé aux UV, l'isomère cis étant beaucoup plus volumineux, et retourne dans sa forme trans lorsqu'on l'expose à la lumière visible. Il pourrait ainsi jouer le rôle d'interrupteur optique.

La méthode relativement simple et efficace d'exfoliation en phase liquide pour transformer le graphite (peu coûteux et facilement disponible) en graphène permet d'obtenir des encres de graphène pouvant être produites en routine afin d'exploiter tout le potentiel du graphène dans des dispositifs. Les chercheurs ont constaté qu'en exposant le mélange graphite / azobenzène à la lumière UV pendant l'exfoliation en phase liquide (1), l'isomère encombré cis de l'azobenzène se formait ce qui conduisait à une augmentation de la concentration en graphène de l'ordre de 80% par rapport à ce qu'ils obtenaient en l'absence d'azobenzène.

Les chercheurs ont ensuite réalisé de véritables dispositifs électrique photocommutables avec ces échantillons basé sur le graphène. Ils ont mis au point un nouveau procédé pour déposer l'encre hybride graphène–azobenzène sur un substrat de SiO2 comportant des électrodes d'or (voir figure). Ils ont ainsi obtenu un film continu composé de couches alternées de graphène et d'azobenzène. La conductivité électrique élevée du graphène permet de mesurer facilement le courant dans ces dispositifs. Lorsque l'azobenzène est dans sa forme trans, ces dispositifs conduisent l'électricité à la fois le long de la surface de graphène, et à travers le film déposé par "saut" d'électrons d'une couche de graphène à l'autre. Lorsque le dispositif est exposé au rayonnement UV, l'encombrement stérique de l'isomère cis qui se forme augmente la distance entre les feuillets de graphène.Les électrons "sautent" ainsi plus difficilement d'un feuillet à l'autre, ce qui diminue la conductivité à travers le film.

Grâce à un procédé de dépôt en une étape, les chercheurs ont réalisé un interrupteur moléculaire modulable avec la lumière. Ce dispositif fonctionne de manière réversible, ce qui est primordial pour envisager la fabrication de mémoires à commande optique.

Note:
(1) Le solvant organique utilisé est le N-méthyl-2-pyrrolidone.

Pour plus d'information voir:
Markus Döbbelin, Artur Ciesielski, Sébastien Haar, Silvio Osella, Matteo Bruna, Andrea Minoia, Luca Grisanti, Thomas Mosciatti, Fanny Richard, Eko Adi Prasetyanto, Luisa De Cola, Vincenzo Palermo, Raffaello Mazzaro, Vittorio Morandi, Roberto Lazzaroni, Andrea C. Ferrari, David Beljonne & Paolo Samorì
Light-enhanced liquid-phase exfoliation and current photoswitching in graphene–azobenzene composites
Nature Commun. 7 avril 2016
DOI: 10.1038/ncomms11090

Contact chercheur:
Paolo Samorì, Institut de science et d'ingénierie supramoléculaires – Strasbourg
Tél.: 03 68 85 51 60
Courriel: [email protected]
http://www.nanochemistry.fr/

Contacts institut:
Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken