Le graphène continue de nous épater avec sa physique intéressante

En 2004, Andrew Geim et Konstantin Novoselov ont découvert le graphène et, en quelques années seulement, les ingénieurs en technologie médicale étaient gaga pour le graphène.

Le graphène est une feuille d’un atome d’épaisseur composée de carbone disposé en un réseau hexagonal ou en nid d’abeille. Aujourd’hui, le matériau est utilisé dans un large éventail d’applications médicales et il semble que les scientifiques découvrent encore de nouvelles propriétés du matériau miracle. Plus récemment, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et leurs collègues d’autres universités ont découvert une propriété électronique inattendue du graphène.

Les travaux dirigés par le MIT, qui impliquent des structures composées de couches atomiquement minces de matériaux également biocompatibles, pourraient inaugurer de nouveaux paradigmes de traitement de l’information plus rapides. Une application potentielle est l’informatique neuromorphique, qui vise à reproduire les cellules neuronales du corps responsables de tout, du comportement aux souvenirs.

Le travail introduit également une nouvelle physique que les chercheurs sont ravis d’explorer.

« Les hétérostructures à base de graphène continuent de produire des surprises fascinantes. Notre observation de la ferroélectricité non conventionnelle dans ce système simple et ultra-mince remet en question bon nombre des hypothèses dominantes sur les systèmes ferroélectriques, et cela pourrait ouvrir la voie à toute une génération de nouveaux matériaux ferroélectriques », a déclaré Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique au MIT. et leader du travail, qui impliquait une collaboration avec cinq autres professeurs du MIT de trois départements.

Une nouvelle propriété du graphène

Depuis la découverte du matériau, les scientifiques ont montré que différentes configurations de couches de graphène peuvent donner lieu à une variété de propriétés importantes. Les structures à base de graphène peuvent être soit des supraconducteurs, qui conduisent l’électricité sans résistance, soit des isolants, qui empêchent le mouvement de l’électricité. Ils ont même été trouvés pour afficher le magnétisme.

Dans ce travail, qui a été rapporté dans La nature, les chercheurs montrent que le graphène bicouche peut également être ferroélectrique. Cela signifie que les charges positives et négatives du matériau peuvent se séparer spontanément en différentes couches.

Dans la plupart des matériaux, des charges opposées sont attirées les unes vers les autres ; ils veulent combiner. Seule l’application d’un champ électrique les forcera vers des côtés opposés, ou des pôles. Dans un matériau ferroélectrique, aucun champ électrique externe n’est nécessaire pour maintenir les charges écartées, donnant lieu à une polarisation spontanée. Cependant, l’application d’un champ électrique externe a un effet : un champ électrique de sens opposé fera basculer les charges et inverser la polarisation.

Pour toutes ces raisons, les matériaux ferroélectriques sont utilisés dans une variété de systèmes électroniques, des ultrasons médicaux aux cartes d’identification par radiofréquence. Cependant, les ferroélectriques conventionnels sont des isolants. Le ferroélectrique à base de graphène de l’équipe fonctionne à travers un mécanisme complètement différent – une physique différente – qui lui permet de conduire l’électricité. Et cela ouvre une myriade d’applications supplémentaires.

« Ce que nous avons trouvé ici, c’est un nouveau type de matériau ferroélectrique », a déclaré Zhiren « Isaac » Zheng, un étudiant diplômé du MIT en physique et premier auteur du La nature papier.

Qiong Ma, PhD, co-auteur de l’article et professeur adjoint au Boston College, met le travail en perspective. Ma a mené les travaux actuels en tant que post-doctorant dans le laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.

« Il y a des défis associés aux ferroélectriques conventionnels que les gens se sont efforcés de surmonter. Par exemple, la phase ferroélectrique devient instable au fur et à mesure de la miniaturisation du dispositif. Avec notre matériel, certains de ces défis peuvent être automatiquement résolus », a déclaré Ma.

L’équipe a créé une structure composée de deux couches de graphène – une bicouche – prise en sandwich entre des couches atomiquement minces de nitrure de bore (BN) au-dessus et au-dessous. Chaque couche de BN est à un angle légèrement différent de l’autre. En regardant d’en haut, le résultat est un motif unique appelé superréseau moiré. Un motif moiré, à son tour, peut modifier considérablement les propriétés d’un matériau, a déclaré Zheng.

Le groupe de Jarillo-Herrero en a démontré un exemple important en 2018. Dans ce travail, également rapporté dans La nature, les chercheurs ont empilé deux couches de graphène. Ces couches, cependant, n’étaient pas exactement les unes sur les autres; plutôt, on a été légèrement tourné à un « angle magique » de 1,1 degrés. La structure résultante a créé un motif moiré qui à son tour a permis au graphène d’être soit un supraconducteur, soit un isolant en fonction du nombre d’électrons dans le système fourni par un champ électrique. Essentiellement, l’équipe a pu régler le graphène pour qu’il se comporte à deux extrêmes électriques.

« Donc, en créant cette structure moirée, le graphène n’est plus du graphène. Il se transforme presque comme par magie en quelque chose très, très différent », a déclaré Ma.

Dans le travail actuel, les chercheurs ont créé un motif moiré avec des feuilles de graphène et de nitrure de bore qui a abouti à une nouvelle forme de ferroélectricité. La physique impliquée dans le mouvement des électrons à travers la structure est différente de celle des ferroélectriques conventionnels.

Les chercheurs prévoient de poursuivre leurs travaux en démontrant le potentiel du nouveau matériau pour une variété d’applications, mais aussi en développant une meilleure compréhension de sa physique.

« Il y a encore de nombreux mystères que nous ne comprenons pas entièrement et qui sont fondamentalement très intrigants », a déclaré Ma.

Le graphène a de nombreux frères et sœurs

Depuis la découverte du graphène, les scientifiques ont rapporté des découvertes impliquant des matériaux décrits comme frère du matériau miracle, comme le phagraphène.

Découvert par des chercheurs de Russie, des États-Unis et de Chine, le matériau pharagraphène possède toutes les propriétés du graphène qui lui permettent d’être considéré comme un matériau avancé pour les appareils électroniques flexibles, les transistors, les batteries solaires, les unités d’affichage, etc. Le matériau devrait cependant se comporter différemment, dans la mesure où la vitesse des électrons qui le traversent dépend de la direction dans laquelle ils sont introduits dans le matériau. Le graphène est différent à cet égard, ont déclaré à l’époque les chercheurs impliqués dans ce travail.

« Le pharagraphene se compose d’anneaux de carbone penta-, hexa- et heptagonaux », a déclaré Artyom Oganov, le chercheur principal du projet de pharagraphene. Il a également noté que le nom vient d’une contraction de Penta-Hexa-heptA-graphne.

Le graphène a été salué pour son faible coût, sa facilité d’utilisation, sa structure flexible, sa transparence optique élevée et sa résistance mécanique importante. L’attrait du matériau, cependant, est enraciné dans sa conductivité électrique et thermique supérieure. La conductivité électrique du graphène est 100 fois plus rapide que celle du silicium, tandis que sa conductivité thermique varie de 3 500 à 5 300 W/mK, contre 130 W/mK pour le silicium, MD+DI rapporté en 2009.

Au fil des ans, les scientifiques ont également vanté les propriétés antimicrobiennes du graphène et sa capacité à conférer une certaine stabilité aux nanoparticules d’or. En 2013, MD+DI a rapporté un nanocomposite de graphène et de cuivre, développé par une équipe internationale de chercheurs, qui est 500 fois plus résistant que le métal pur. Un matériau apparenté, qui fusionne le graphène et le nickel, est 180 fois plus résistant que le métal pur. Les scientifiques ont créé le matériau en superposant le métal avec du graphène monocouche. Pour ce faire, ils ont utilisé le dépôt chimique en phase vapeur pour créer ce qui serait le premier composite multicouche métal-graphène.

Repasser les rides du graphène

Malgré toutes ses propriétés et applications étonnantes, le graphène n’est pas sans rides. Littéralement.

Comme MD+DI rapporté en 2011, les propriétés électriques de ce matériau étonnant dépendent grandement de sa planéité et de sa pureté. En utilisant une combinaison de modélisation informatique sophistiquée et de techniques avancées d’analyse des matériaux dans les laboratoires synchrotron, les chercheurs ont démontré comment certains défauts de traitement relativement simples peuvent sérieusement dégrader les propriétés électriques du matériau.

Leurs travaux ont montré comment les rides de la feuille de graphène et/ou les contaminants dus au traitement – peut-être cachés dans ces plis – perturbent et ralentissent le flux d’électrons à travers la feuille. Les résultats pourraient être importants pour la conception de procédés de fabrication commerciaux qui exploitent les propriétés électriques uniques du graphène. Au moins dans le cas des molécules contaminantes, les scientifiques suggèrent que le simple fait de chauffer le matériau pourrait résoudre le problème.