Le graphène superstar (épisode 1)

Premier volet de notre série sur ce matériau révolutionnaire : le graphène va-t-il devenir le roi de l’électronique ? Des écrans souples pour smartphones à l’ordinateur quantique, tour d’horizon des applications espérées.
Il est flexible, léger, ultrarésistant, transparent et, surtout, excellent conducteur. La liste des qualités du graphène, feuillet d’une seule épaisseur d’atomes de carbone organisés en nids d’abeilles, est impressionnante. Ce matériau, isolé en 2004, pourrait révolutionner la technologie électronique de demain. Écrans souples, électronique haute fréquence, nanoélectronique, « les multiples voies de recherche offertes par le graphène fascinent », se réjouit Bernard Plaçais, du laboratoire Pierre-Aigrain de l’École normale supérieure1. Et les espoirs ne s'arrêtent pas à l'électronique, puisque le graphène pourrait connaître une belle carrière dans les domaines de l'environnement, des matériaux ou même de la santé.

L’Europe investit un milliard d’euros

« Après des années de recherche académique pure, nous sommes aujourd’hui dans une période charnière où chercheurs et industriels doivent joindre leurs efforts pour travailler main dans la main », commente Bernard Plaçais, du laboratoire Pierre-Aigrain de l’École normale supérieure. C’est la raison d’être du Flagship Graphène, officialisé en 2013, programme phare européen de recherche et développement sur cette thématique, prévu sur dix ans pour un investissement total d’un milliard d’euros. En tout, 75 équipes de recherche académiques et industrielles de 17 pays différents participent à l’initiative. La France est le premier partenaire avec 15 équipes venant du CNRS, des universités, de l’Onera, du CEA ou d’entreprises comme Thalès, entre autres. « Si, au niveau mondial, l’Union européenne est deuxième en termes de citations de publications sur le graphène, elle a un gros retard en termes de brevets par rapport à la Chine ou aux États-Unis et à la Corée du Sud notamment », note Giancarlo Faini, directeur adjoint scientifique de l’Institut de physique du CNRS. Le Flagship veut donc encourager les applications et cela passe par la réalisation de la chaîne de fabrication complète, depuis l’élaboration du matériau jusqu’au produit fini.

Déjà des prototypes d’écrans souples

Côté applications, l'électronique fait partie des domaines les plus prometteurs. Le graphène va sans doute commencer par changer la face de nos smartphones grâce à ses surprenantes propriétés. « Ce n’est ni un métal ni un semi-conducteur. Nous avons la liberté de lui donner les propriétés que l’on veut », observe Laetitia Marty, chargée de recherche CNRS à l’Institut Néel2. En particulier, la possibilité d’obtenir une surface transparente, flexible et conductrice ouvre la voie à l’électronique souple. Nous toucherons donc sans doute bientôt le graphène du doigt quand il recouvrira les écrans des téléphones portables et des tablettes. Il possède toutes les qualités pour remplacer l’oxyde d’indium-étain utilisé aujourd’hui, qui est rare, cher, cassant et toxique. De plus, il résiste au traitement chimique et se connecte électriquement plus facilement que les matériaux concurrents. La firme Nokia développe déjà des prototypes d’écrans souples. Quant au géant Samsung, il maîtrise la fabrication de feuillets de graphène de plus de 1 m2. Cette technologie servira aussi aux LED organiques, ces diodes électroluminescentes dont l’avenir est prometteur, et peut-être même au secteur textile. Des encres conductrices à base de graphène existent en effet déjà et pourraient être utilisées pour imprimer des circuits électriques sur les tissus.
Un téléphone flexible avec un écran couvert de graphène ? Ce sera peut-être le Kinetic de Nokia, même si ce n’est encore qu’un projet de recherche.

Plus rapide que le silicium

Bien que les électrons parcourent la même distance cent fois plus rapidement dans le graphène que dans le silicium, l’actuel roi des microprocesseurs n’est pas encore prêt d’être détrôné dans les transistors de nos ordinateurs. Ceux-ci fonctionnent en effet comme des robinets ouverts ou fermés pour le courant. Or il est difficile de « fermer le robinet » avec le graphène, car il ne possède pas de gap, cette bande interdite des semi-conducteurs où les électrons ne peuvent circuler. C’est plutôt le domaine de l’électronique rapide que le graphène pourrait révolutionner. « Il correspond aux hautes fréquences, au-delà du gigahertz (GHz), et concerne les applications sans fil, les télécommunications, le numérique haut débit, les communications satellites, les radars courte et longue portées et, enfin, le domaine térahertz avec, par exemple, la photodétection pour l’astrophysique », énumère Bernard Plaçais. En pratique, les chercheurs de l’université de Californie ont réalisé un transistor à 427 GHz, ce qui correspond aux ondes radars. Il pourrait être utilisé pour les systèmes de détection, notamment ceux des pare-chocs de voiture dédiés au respect automatique des distances de sécurité. L’avantage principal du graphène, c’est la mobilité des électrons : ils s’y propagent en subissant très peu de collisions. Des composants aussi rapides que ceux dont on se sert actuellement mais plus grands, donc plus faciles et moins chers à fabriquer, sont alors envisageables. Mais la miniaturisation est aussi à la portée de cette molécule. Une collaboration internationale comprenant notamment Georgia Tech, aux États-Unis, l’Institut Néel, en France, et l’université de Leibniz, en Allemagne, vient d’élaborer des rubans de graphène de moins de 40 nanomètres de large dans lesquels les électrons fusent comme des balles3. « Ces rubans permettent d’imaginer une électronique haute fréquence performante et réalisable sur le plan industriel », indique Claire Berger, chercheuse à l’Institut Néel qui travaille sur ce sujet depuis les débuts de la révolution graphène.

Un pas vers la spintronique

Avec ces feuillets de carbone, les scientifiques n’envisagent pas seulement de revisiter ou d’améliorer la technologie existante. Pour Laetitia Marty, « l’intérêt est également de changer la façon de voir les choses afin de tirer parti des particularités du graphène ». L’une d’elles est la possibilité de créer des dispositifs hybrides. En intégrant par exemple des particules d’étain sur du graphène, les chercheurs de l’Institut Néel fabriquent des transistors qui deviennent supraconducteurs en appliquant une simple tension électrique (le courant se déplace alors sans perte). À long terme, ils pourraient servir le domaine de l’information quantique. Ce champ de recherche bénéficiera sans doute aussi des apports de la spintronique. Contrairement à l’électronique traditionnelle qui utilise la charge électrique, la spintronique met à profit l’aimantation quantique des électrons qu’on nomme « spin ». Ce spin est le meilleur moyen de stocker l’information, il est par exemple utilisé dans tous les disques durs d’ordinateur. Mais le transférer efficacement d’un endroit à un autre reste difficile. « C’est le paradoxe de la spintronique, admet Pierre Seneor, de l’unité mixte de physique CNRS/Thalès4, mais le graphène pourrait changer la donne. D’abord, parce que les électrons y circulent vite, ensuite, parce que les pertes de spin y sont limitées. »

Une production encore limitée

Si ces utilisations promettent beaucoup, des obstacles restent à franchir avant d’envisager leur mise en pratique. À commencer par la fabrication de la molécule de graphène elle-même. « Il existe plusieurs méthodes, chacune donne des matériaux de qualité différente », explique Annick Loiseau, du Laboratoire d’étude des microstructures5, et membre du bureau exécutif du Flagship Graphène. Certains débouchés comme les écrans souples ne sont pas très exigeants sur la qualité du graphène, mais d’autres comme la nanoélectronique réclament une très grande pureté qui n’est pour l’instant obtenue que sur quelques millimètres carrés au maximum. « Il faut optimiser ces procédés pour les rendre rentables », insiste Annick Loiseau. Enfin, si sur le plan théorique les chercheurs connaissent déjà bien les propriétés de ce nouveau matériau, la compréhension des multiples interactions avec les environnements où il est intégré (nanoparticules, molécules organiques, etc.) reste un défi. Un défi qu’il faudra relever avant que le graphène ne bouleverse le royaume de l’électronique.

Sur le même sujet : « Le graphène superstar (épisode 2) ici » et « Le graphène superstar (épisode 3) ici »

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