Graphène vs silicium : propriétés électriques comparées

Le graphène est un feuillet de carbone d’un seul atome d’épaisseur, dont les atomes sont disposés en réseau hexagonal en nid d’abeille. Depuis son isolement pour la première fois en 2004 par des chercheurs de l’université de Manchester, il fascine les scientifiques par ses propriétés extraordinaires et s’apprête à révolutionner de nombreux domaines de la technologie.

Ce matériau aux propriétés hors norme promet de transformer le paysage de l’industrie des semi-conducteurs et de la fabrication des composants. Mais qu’est-ce que le graphène exactement, et qu’est-ce qui le rend si particulier ? Voyons cela de plus près !

Qu’est-ce que le graphène ?

Le graphène est une monocouche d’atomes de carbone étroitement assemblés en un réseau hexagonal bidimensionnel qui évoque un grillage à poules. Il s’agit essentiellement d’un unique plan atomique extrait du graphite massif, ce matériau carboné utilisé dans les crayons. Avant 2004, on pensait que le graphène ne pouvait pas exister à l’état libre, la théorie voulant que les cristaux bidimensionnels soient thermodynamiquement instables et se désintègrent.

Pourtant, les physiciens Andre Geim et Kostya Novoselov, de l’université de Manchester, ont trouvé un moyen ingénieux d’isoler et d’identifier le graphène monocouche à l’aide d’un simple ruban adhésif et de techniques de microscopie. Cette découverte majeure leur a valu le prix Nobel de physique 2010, marquant le point de départ de la révolution du graphène.

Pourquoi le graphène est-il si extraordinaire ?

Le graphène réunit un ensemble de propriétés spectaculaires qui en font un candidat extrêmement prometteur pour les dispositifs de nouvelle génération :

1. Conductivité électrique élevée : la mobilité des porteurs peut atteindre environ 200 000 cm²/V·s à température ambiante dans un graphène parfaitement propre, une limite théorique fixée par les vibrations du réseau (Chen et al., Nature Nanotechnology, 2008). Les électrons y subissent ainsi très peu de diffusion. Le transport électronique est balistique sur des distances submicroniques, signe d’une résistance électrique très faible.
2. Transparence optique : bien qu’il ne fasse qu’un atome d’épaisseur, le graphène n’absorbe que 2,3 % de la lumière visible, ce qui le rend quasiment transparent. Associée à sa forte conductivité, cette propriété en fait un candidat idéal pour les électrodes transparentes des dispositifs optoélectroniques tels que les écrans tactiles, les LED et les cellules solaires.
3. Résistance mécanique élevée : le graphène possède une résistance mécanique considérable, l’un des matériaux les plus résistants jamais testés. Sa résistance à la rupture est plus de 100 fois supérieure à celle de l’acier, avec un module de Young de 1 TPa. Il peut s’étirer élastiquement de 20 % sans se rompre. Le graphène est en outre ultraléger : un mètre carré ne pèse qu’environ 0,77 mg, si bien qu’une feuille couvrant un terrain de football pèserait environ 5 g.
4. Conductivité thermique : la chaleur se propage rapidement dans le graphène grâce aux liaisons covalentes sp2 fortes entre les atomes de carbone. Sa conductivité thermique dépasse celle du diamant, avec plus de 3 000 W/mK. Cela le rend adapté aux applications de dissipation thermique en nanoélectronique.
5. Stabilité chimique : le graphène est stable à l’air à température ambiante, mais il peut être fonctionnalisé, par exemple hydrogéné en graphane ou oxydé (Elias et al., Science, 2009).

Comment le graphène se compare-t-il au silicium ?

Le silicium est le pilier de l’industrie des semi-conducteurs depuis plus de 60 ans, moteur de la révolution de la microélectronique, mais il rencontre des limites à l’ère du nanomètre. Conformément à la loi de Moore, les composants électroniques rétrécissent chaque année et se rapprochent des limites physiques du silicium. Le graphène s’impose comme un candidat potentiel pour remplacer ou compléter le silicium dans les dispositifs de nouvelle génération, grâce à des propriétés électriques, thermiques et mécaniques largement supérieures.

Quelques avantages du graphène par rapport au silicium traditionnel :

• La mobilité de charge dans les transistors en graphène peut dépasser 100 000 cm2/Vs, même à température ambiante, soit près de 100 fois plus que dans les dispositifs en silicium. Cela permet des transistors analogiques à très haute fréquence.
• Le graphène présente une conductivité thermique bien meilleure, un avantage pour l’intégration des dispositifs et la dissipation de la chaleur.
• Sa nature bidimensionnelle, combinée à son épaisseur atomique, repousse la limite ultime de miniaturisation.
• Sa résistance mécanique, sa flexibilité et sa durabilité chimique permettent de fabriquer des dispositifs en graphène sur des substrats plastiques souples, ouvrant la voie à l’électronique pliable.
• Sa grande transparence optique, alliée à son excellente conductivité, rend le graphène adapté aux écrans tactiles, aux photodétecteurs et aux applications photovoltaïques.

En revanche, le graphène ne possède pas de bande interdite intrinsèque, ce qui complique son utilisation en logique numérique. Créer une bande interdite réduit considérablement la mobilité électronique du graphène. C’est pourquoi le graphène est considéré comme un complément plutôt qu’un remplaçant du silicium dans l’industrie des semi-conducteurs. Si le silicium continuera de dominer la logique numérique, le graphène est prometteur pour les dispositifs analogiques haute vitesse de nouvelle génération, les composants photoniques et l’électronique flexible.

Que peut-on faire avec le graphène ?

Grâce à son riche éventail de propriétés, le graphène ouvre des perspectives passionnantes pour les dispositifs de demain. En voici quelques exemples :

Une électronique plus rapide

L’excellente conductivité du graphène, sa forte mobilité des porteurs de charge et sa capacité à supporter des densités de courant élevées en font un candidat pour des transistors analogiques très rapides.

En 2010, IBM a démontré des transistors en graphène atteignant une fréquence de coupure de 100 GHz (Lin et al., Science, 2010), une performance utile pour les communications sans fil, l’imagerie et le radar.

Écrans tactiles flexibles

Flexibles, résistants et transparents, les feuillets de graphène conviennent parfaitement aux revêtements d’électrodes des écrans tactiles souples des téléphones mobiles, liseuses et tablettes. Associé à d’autres cristaux bidimensionnels, le graphène pourrait permettre de fabriquer des écrans LED et des téléviseurs flexibles. De tels écrans pixellisés à base de graphène seraient fins, légers, robustes et économes en énergie.

Les écrans OLED flexibles et les cellules solaires pourraient eux aussi tirer parti des électrodes transparentes en graphène.

Solutions de stockage d’énergie

Les supercondensateurs à base de feuillets de graphène tirent parti de la grande surface accessible des flocons de graphène pour le stockage des charges. Le graphène permet d’obtenir des densités de puissance plus élevées, pour une charge et une décharge rapides, ainsi qu’une durée de vie en cycles plus longue que les supercondensateurs classiques.

Associés à de l’oxyde de manganèse ou à des nanoparticules de silicium, les nanocomposites de graphène ont montré de meilleures performances en tant qu’anodes de batteries lithium-ion. Par ailleurs, des nanoparticules de platine ancrées sur des feuillets de graphène ont révélé une activité catalytique accrue, ce qui les rend prometteuses pour les piles à combustible.

Matériaux composites

Les flocons de graphène apportent des améliorations spectaculaires de la résistance mécanique et de la conductivité électrique et thermique, même en très faible quantité dans une matrice polymère ou céramique. En ajustant la morphologie et la teneur de la charge de graphène, il est possible de créer des composites massifs aux propriétés multifonctionnelles sur mesure.

Par exemple, les composites renforcés au graphène utilisés comme matériaux structurels sont extrêmement légers tout en étant plus résistants que l’acier. Ils présentent aussi de bonnes propriétés électriques, thermiques et barrières. Ces composites sont déjà utilisés dans les coques de téléphones mobiles, les cadres de vélo, etc., mais on peut en imaginer d’innombrables autres applications.

Dispositifs photoniques

En tant que matériau sans bande interdite, le graphène permet l’absorption et l’extraction de lumière sur une large bande, du visible à l’infrarouge. Il se révèle ainsi prometteur pour la photodétection ultrarapide, du visible jusqu’au rayonnement térahertz.

Grâce au principe de blocage de Pauli, les dispositifs en graphène peuvent moduler leur absorption simplement en appliquant une tension, ce qui, intégré à un guide d’ondes, suffit à réaliser des modulateurs optiques. Cette commutation électro-optique ouvre aussi la voie à des métamatériaux plasmoniques accordables.

Associé à des guides d’ondes en silicium, le graphène pourrait permettre des interconnexions optiques sur puce. Le partage des technologies de fabrication et la possibilité d’une intégration multicouche sont de bon augure pour l’avenir de la photonique à base de graphène.

Les défis de la fabrication du graphène

Malgré ses propriétés impressionnantes, la réalisation de dispositifs commerciaux à base de graphène pose des défis considérables. Il reste difficile de synthétiser à grande échelle et de façon économique un graphène de haute qualité, aux propriétés comparables à celles des flocons exfoliés. La régularité de la qualité des films, les techniques de production à grande échelle et l’intégration des dispositifs doivent encore être affinées avant une adoption généralisée du graphène.

Actuellement, la synthèse par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur cuivre et la catalyse de surface sur carbure de silicium sont des méthodes courantes pour produire des films de graphène sur de grandes surfaces. La fabrication en continu (roll-to-roll) semble prometteuse, mais la réduction des coûts de production sera déterminante pour sa viabilité. Créer une bande interdite sans compromettre la mobilité des porteurs de charge reste un obstacle pour la logique numérique à base de graphène.

Des préoccupations environnementales et sanitaires subsistent autour des flocons de graphène inhalables. Des recherches supplémentaires sont indispensables sur la cytotoxicité et la biocompatibilité du graphène pour permettre son usage en bioapplications. Le repliement des couches de graphène en structures tridimensionnelles est également recherché afin d’élargir encore son champ fonctionnel.

Perspectives d’avenir

Le silicium ne disparaîtra pas du jour au lendemain, mais le graphène et les autres cristaux bidimensionnels promettent un avenir matériau passionnant pour de nombreuses applications de niche, sinon pour la fabrication électronique à grande échelle. D’ici une dizaine d’années, on pourrait voir le graphène adopté dans les films transparents, les composants photoniques et les dispositifs analogiques haute fréquence. Au-delà de 2030, le rêve de microprocesseurs flexibles en graphène pourrait sembler moins lointain qu’il n’y paraît !

Avec des méthodes de synthèse variées, des bandes interdites conçues sur mesure et des domaines d’application en expansion constante, de l’électronique et de l’énergie aux composites et à la biomédecine, le plein potentiel du graphène reste inexploité. À mesure que la qualité des matériaux et les méthodes de production à grande échelle progressent, le graphène est idéalement placé pour transformer simultanément plusieurs domaines technologiques dans les années à venir. Affaire à suivre !

Alors, qu’en pensez-vous ? La révolution du graphène va-t-elle changer le monde ? Partagez votre avis sur ce matériau fascinant dans les commentaires ci-dessous !

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