Graphène

Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.

Graphène
Général
N CAS	1034343-98-0
Apparence	Solide noir mat (graphite)
Propriétés chimiques
Formule brute	(C)n
Propriétés électroniques
Mobilité électronique	200 000–250 000 cm·V·s
Cristallographie
Système cristallin	Hexagonal plan
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le graphène est un cristal bidimensionnel (monoplan) carbone dont l'empilement constitue le graphite. Il fut isolé en 2004 par Andre Geim, du département de physique de l'université de Manchester. Il peut être produit de deux manières : par extraction mécanique du graphite (graphène exfolié) dont la technique a été mise au point en 2004, ou par chauffage d'un cristal de carbure de silicium, qui permet la libération des atomes de silicium (graphène epitaxié).

Le graphène a été obtenu pour la première fois en 2004 par l'équipe d'André Geim à l'université de Manchester en Angleterre.

Structure cristalline

C'est le seul exemple connu de ce qui correspondrait à un cristal dans un espace bidimensionnel, ce qui contredit en apparence le théorème de Mermin-Wagner stipulant l'impossibilité d'un tel cristal. En fait, la présence de déformations dans la troisième dimension (vagues d'un demi-nanomètre de haut) permettant d'absorber l'énergie d'agitation thermique permettrait d'expliquer la stabilité du cristal.

Propriétés électroniques

Le fait d'être monoplan lui confère des propriétés électroniques et quantiques particulièrement intéressantes, par exemple des réalisations des propriétés relativistiques de la théorie de Dirac.

Le graphène se trouve à l'état naturel dans les cristaux de graphite, où il se présente sous la forme d'un empilement de feuilles. Plusieurs techniques ayant pour but de le rendre exploitable ont vu le jour ces dernières années. À ce jour (janvier 2009), seulement deux sociétés en fabriquent, à savoir Graphene Industries et Graphene Works, mais de nouvelles entreprises devraient apparaître au cours de l'année.

Graphène exfolié

Le principe consiste à arracher une très fine couche de graphite du cristal à l'aide d'un ruban adhésif, puis de renouveler l'opération une dizaine de fois sur les échantillons ainsi produits afin que ces derniers soient les plus fins possibles. Ils sont ensuite déposés sur une plaque de dioxyde de silicium où une identification optique permettra de sélectionner les échantillons constitués d'une unique couche.

Graphène épitaxié

Il s'agit de produire du graphène à partir de carbure de silicium. Un échantillon de ce dernier est chauffé sous vide à 1 300 °C afin que les atomes de silicium des couches externes s'en évaporent. Après un temps bien déterminé, les atomes de carbone restants se réorganisent en fines couches de graphène.

Autre

Le principe consiste à oxyder du graphite dans un milieu acide puis utiliser de l'hydrazine comme solvant réducteur pour purifier le graphène.

Les récentes publications scientifiques sur ce matériau suggèrent de nombreuses applications possibles (bien au-delà de la fabrication de mines de crayons...). Cependant, sa production reste encore problématique et très onéreuse : un mètre carré reviendrait à 600 milliards d'euros ! Une perspective d'avenir pour le graphène serait la fabrication d'une nouvelle génération de transistors ultra rapides, de dimension nanométrique. De plus, il possède une excellente résistance mécanique de 42 newtons par mètre carré (200 fois plus que l'acier).

On a récemment réussi à transformer en une opération réversible du graphène (conducteur électrique) en graphane (forme hydrogénée, isolante du graphène).

Électronique

Le graphène étant un cristal bidimensionnel les électrons se déplacent sur le graphène à une vitesse de 1 000 km·s, soit 30 fois la vitesse des électrons dans le silicium. Grâce encore à ses propriétés de cristal bidimensionnel, un transistor de graphène ne s'échauffe pas.

Matériaux

Le graphène est 200 fois plus résistant que l'acier et 6 fois plus léger.

Un ajout de graphène dans un polymère permet d'augmenter la dureté et la stabilité thermique du polymère.