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Le graphène peut désormais avoir les mêmes propriétés que le silicium
Grâce à un nouveau procédé développé par des chercheurs espagnols

Le , par Christian Olivier

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Le graphène

Le graphène est un nanomatériau inerte chimiquement, léger, extrêmement résistant, imperméable, transparent et flexible. Ce cristal à deux dimensions formé d’une seule couche d’atomes de carbone est un excellent conducteur d’électricité et de chaleur qui est capable de générer par lui-même de l’énergie naturelle et non polluante. Ce serait, en outre, un matériau biocompatible qui est bien toléré par les cellules vivantes et qui stimule la croissance de ces dernières sans altérer leurs propriétés ou leur fonctionnement. Ce dérivé du carbone qui a été isolé à partir du graphite, le constituant des mines de crayon et découvert, pour la première fois en 2004.


Le graphène est un matériau prometteur dont les applications nombreuses permettraient de révolutionner divers domaines, l’industrie informatique en tête de liste. Il est, par exemple, possible d’abaisser la température moyenne des microprocesseurs d’environ 13 °C en appliquant une seule couche de graphène sur ces composants ou de concevoir des dispositifs électroniques ultrafins grâce à ce matériau.

Graphène vs silicium

Mais en dépit de son potentiel immense, le graphène n’a pas toujours pas réussi à s’imposer face au silicium qui règne sans partage sur l’industrie des semi-conducteurs depuis de longues années déjà. Et pour cause, le graphène présente des lacunes encore trop importantes : les fréquences de sortie des équipements conçus avec ce matériau sont parfois décevantes, ce n’est pas un semi-conducteur et sa bande de conduction est insuffisante pour qu’il puisse servir à l’élaboration de transistors. Mais tout cela pourrait changer avec la découverte récente qui a été effectuée par des chercheurs espagnols dans le cadre de leurs travaux sur la théorie des bandes et le graphène.

Les bandes électromagnétiques

Avant de s’attaquer à l’étude proprement dite, il faut préciser qu’en physique des semi-conducteurs, la théorie des bandes électromagnétiques est une modélisation des valeurs d’énergie que peuvent prendre les électrons d’un solide à l’intérieur de celui-ci. De façon générale, ces électrons n’ont la possibilité de prendre que des valeurs d’énergie comprises dans certains intervalles, lesquels sont séparés par des « ;bandes ;» d’énergie interdites. Cette modélisation conduit à parler de bandes d’énergie ou de structure de bandes. Selon la façon dont ces bandes sont réparties, il est possible d’expliquer au moins schématiquement les différences de comportement électrique entre un isolant, un semi-conducteur et un conducteur.

Le « ;Band Gap ;ou bandgap », pour sa part, correspond à la différence d’énergie entre la bande de conduction et la dernière bande de valence. Elle peut être vue comme le niveau d’énergie que l’électron doit atteindre à partir de son niveau d’énergie fondamental (du réseau cristallin) pour participer au passage du courant dans le cristal, comme c’est le cas des semi-conducteurs. On parle de gap direct lorsque ces deux extremums correspondent au même quasi-moment (quantité de mouvement associée au vecteur d’onde dans la première zone de Brillouin), et de gap indirect lorsque la différence entre les vecteurs d’onde de ces deux extremums est non nulle.

Les propriétés électriques et optiques des semi-conducteurs sont dominées par cette largeur de bande. Les matériaux à gap direct et ceux à gap indirect se comportent très différemment du point de vue optoélectronique, car les porteurs de charge des matériaux à gap direct peuvent passer d’une bande à l’autre en échangeant simplement un photon, dont la quantité de mouvement est négligeable à ces niveaux d’énergie, tandis que les porteurs des matériaux à gap indirect doivent interagir à la fois avec un photon et avec un phonon afin de modifier leur vecteur d’onde, ce qui rend la transition bien moins probable.

Par conséquent, le Band Gap est un facteur majeur déterminant la conductivité électrique d’un matériau. Les matériaux avec un Band Gap élevé sont généralement des isolants, tandis que ceux avec un Band Gap réduit sont des semi-conducteurs. Les conducteurs ont généralement des Band Gap très faibles ou nuls parce que leurs bandes de valence et de conduction se chevauchent.

L’étude proprement dite

Les techniques de conception d’un Band Gap en graphène sont connues depuis des années (le dopage chimique, l’ajout de pores ou la nanostructuration), mais ces approches ont été reconnues comme des solutions imparfaites qui compliquent l’utilisation de ce matériau et compromettent ses propriétés électroniques attrayantes.

Le graphène nanostructurant, par exemple, issu des procédés de fabrication descendants exploités actuellement, aurait du mal à atteindre l’échelle de quelques nanomètres avec une précision atomique, alors que ce niveau de précision est indispensable pour induire une bande interdite suffisamment importante et homogène permettant des applications à température ambiante.

Les chercheurs espagnols ont réussi à concevoir du graphène nanoporeux atomiquement homogène possédant des propriétés électromagnétiques semblables à celles du silicium. Ce graphène nanoporeux dispose de pores dont la taille, la densité et la morphologie étaient suffisants pour créer un Band Gap parfait et envisager l’utilisation de ce matériau en tant que semi-conducteur. Ils ont par la suite conçu un transistor à effet de champ (FET pour Field Effect Transistor), un dispositif semi-conducteur de la famille des transistors qui a la particularité d’utiliser un champ électrique pour contrôler la forme et la conductivité d’un « ;canal ;» dans un matériau semi-conducteur.

Leur solution novatrice et peu coûteuse basée sur une approche de synthèse ascendante permettrait de conférer au graphène un Band Gap semblable à celui du silicium, sans pour autant altérer ses propriétés intrinsèques. Les résultats de cette étude dirigée par l’Institut catalan de Nanoscience et de Nanotechnologie (ICN2) ont été publiés dans la revue Science.


« ;Notre travail a permis de montrer qu’il est possible de fabriquer un matériau “graphènelike” avec une largeur de bande interdite qui est très proche de celle du silicium ;», a déclaré Aitor Mugarza, professeur de recherche et responsable de l'étude à l'ICN2. « ;De plus, en modifiant simplement la largeur des bandes du graphène entre les pores (le nombre d’atomes de carbone), ce bandgap peut être contrôlé. La méthode de fabrication est relativement simple et peut déboucher sur la production à grande échelle de wafer ;», a-t-il ajouté.

« ;L’approche de synthèse ascendante permet la fabrication de nanorubans de graphène unidimensionnels et de structures nanoporeuses avec une précision atomique et des dimensions latérales de l’ordre de 1 nm ;», a confié Mugarza. D’après lui, ce serait « ;l’ingrédient essentiel pour obtenir une bande interdite assez importante et homogène. ;»

Mugarza a expliqué que jusqu'à présent, personne n'avait encore pleinement exploité ces techniques de fabrication ascendantes pour le graphène en raison de la difficulté à concevoir des dispositifs utilisant ces minuscules structures. Mais en raison des dimensions plus grandes du graphène nanoporeux produit par les chercheurs espagnols, il serait devenu possible de fabriquer des dispositifs à haut rendement en utilisant des techniques lithographiques standard.

Le caractère semi-conducteur du matériel que les chercheurs espagnols ont développé serait indirectement lié aux pores. La taille des pores n'affecterait pas directement la bande interdite et l'uniformité des pores serait corrélée avec l'uniformité de la valeur de la bande interdite, mais pas à sa valeur absolue. « ;En d'autres termes, la taille des sections de graphène entre les pores définira la valeur absolue de la bande interdite, et les variations sur cette taille induiront des inhomogénéités dans la valeur de la bande interdite ;», a précisé Mugarza.

Source : Science Mag, Spectrum IEEE

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Avatar de Steinvikel
Membre expérimenté https://www.developpez.com
Le 02/06/2018 à 19:07
la théorie des bandes électromagnétiques en physique des semi-conducteurs
les bandes de conduction : https://toutestquantique.fr/metaux/
leur particularités sur le graphène : https://toutestquantique.fr/graphene/

@V1cent
" une seule couche d’atomes de carbone (...) capable de générer de l’énergie naturelle et non polluante " c'est par exemple, l'énergie solaire... photovoltaïque. La pollution réside dans la solution retenu pour fabriquer le transducteur (comme la totalité des transducteurs actuels).
Les secteurs visés sont ceux qui touchent directement l'électronique (tout ce qui interagie avec une couche d'électricité "intelligente", et dans le long terme, la mécanique... de nouveaux revêtements pour remplacer mes forêt HSS ?

@abriotde
" (...) mais en pratique n'y aura t'il pas des adjuvants toxique. "
Oui, en effet, ce n'est pas parce que le graphène "est" pure, ou non toxique que les procédés pour corriger les imperfections ou stabiliser sa fabrication, ne le sont pas. J'en donne pour exemple les procédés de séparation et de purification des gaz (qui sont ensuite à leur tour utilisé dans de nombreux procédés de fabrication), et notamment l'étape énergivore d'adsorption :
- adsorption (modulé en pression) >> production d'oxygène et d'azote à partir de l'air
- adsorption (modulé en température) >> séchage de gaz, décarbonatation, désulfuration, désodorisation, récupération de vapeurs, de solvants...
...des étapes qui utilise de la chaleur, en général (2kW par kg sur 2 minutes, ou 10kW sur 3 heures), en plus ou en complément de traitement de filtration à membranes, de cryogénie, de solvants, etc.

" Le silicium, c'est du sable, c'est bio-compatible. "
Faut rester prudent avec les idées de "bio-compatibilité", selon l'échelle et le contexte, on entend pas la même chose. Et "naturel" n'est pas synonyme de "non-toxicité", et les noms que portent les matériaux en science, sont des noms génériques portant soit sur la forme, soit sur la structure. Et c'est pourtant la combinaison des deux qui détermine la propriété du dit matériau (et donc sa possible nocivité). C'est ainsi que les nano-particules/structures sont, pour partie, classé toxiques/cancérigène, car elles sont ingéré par les cellules main ne sont pas décomposés. On se retrouve alors dans le cas du goéland inerte sur les côtes dans lequel on retrouve tout un tas de plastique non digéré.
Une sphère, un cube, un tube, un ruban, une toile... en graphène n'arbore pas les même risque d'exposition, et ça change également avec la taille de ces objets.

Niveau industrie de l'electronique (informatique, capteur, énergie...), la haute conductivité (faible impédance, faible temps de propagation) du graphène devrait entraîner une impressionnante révolution des performances.
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Avatar de TJ1985
Membre confirmé https://www.developpez.com
Le 10/06/2018 à 21:42
Une fois pour toutes et sans discussion, le graphene n'est pas un dérivé du carbone, c'est une forme allotrope du carbone, le carbone étant un élément, on ne va pas y ajouter ou en enlever des "liaisons", il a une Valence de 4, point barre.
La quantité d'imprécisions et de conneries lisibles sur ce fil est consternante, entre les confusions d'échelles pour "raison d'analogie" (indigestion aux nanoparticules du goéland, non, mais je rêve !), le silicium dopé au Ga As (en réalité Bore et Phosphore), l'énergie auto-produite (déjà discuté), c'est simplement consternant.
J'ai juste bossé une dizaine d'années dans le domaine des semi-conducteurs et de la physique des matériaux, voir écrites ces approximations défendues à grand renfort de bla bla émis par des gens qui manifestement n'y ont rien compris est plus qu'agaçant.
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Avatar de Jipété
Expert éminent sénior https://www.developpez.com
Le 11/06/2018 à 23:17
Citation Envoyé par Steinvikel Voir le message
--snip--
Quelqu'un a réussi à tout lire sans avoir les yeux qui tombent par terre ?
3  0 
Avatar de v1cent
Membre éclairé https://www.developpez.com
Le 01/06/2018 à 12:44
qui est capable de générer par lui-même de l’énergie naturelle et non polluante
Super, on a trouvé enfin l'énergie libre, les youtubeurs avaient raison !
J'imagine que c'est une erreur de traduction ou de retranscription mais je comprends pas du tout à quoi il est fait référence.

Sinon pour le sujet de l'article, c'est prometteur !
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Avatar de TJ1985
Membre confirmé https://www.developpez.com
Le 08/06/2018 à 9:27
Le graphène n'est pas un dérivé du carbone, c'EST du carbone ! C'est une forme cristalline particulière, mais il n'entre rien d'autre dans sa composition que du carbone.
Puis, si les goélands crèvent sur les plages, c'est souvent parce qu'ils ont bouffé du plastique, mais ça n'a pas grand chose à voir avec les nano matériaux. Quand même...
2  0 
Avatar de Christian_B
Membre habitué https://www.developpez.com
Le 12/06/2018 à 18:36
Quand à moi je ne vais pas tarder à jeter l'éponge devant l'inflation (qui vaut bien celle de la phase du Big Bang ainsi nommée) de la rhétorique de Steinvikel. Tout de même :

Citation Envoyé par Steinvikel
même cantonné au graphène de carbone
Je serais curieux de savoir à quoi est opposé le "graphène de carbone" mentionné deux fois.

P-S: Moi ossi je milite pour l'ortografe.
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Avatar de TJ1985
Membre confirmé https://www.developpez.com
Le 12/06/2018 à 19:25
Citation Envoyé par Steinvikel Voir le message

Nous somme ici réuni dans un forum dont le rassemblement fondamental est porté sur l'informatique,


Bon, effectivement, nous sommes sur un forum et pas à l'Eglise. "Nous sommes ici réunis", ça fleure bon son petit prédicateur des dimanches, ça. Et le reste de la tournure, ma foi...

Citation Envoyé par Steinvikel Voir le message

...mais également éviter ce genre d'intervention puéril,
puérilE, je t'en prie. Accord en GENRE et en nombre avec le sujet. Et je ne relève pas toutes les autres.

Citation Envoyé par Steinvikel Voir le message

où tu sembles simplement proposer une opinion dogmatique, et non constructive, qui plus est.
Mes opinions dogmatiques s'appellent un savoir et une expérience, acquis au fil du temps, en grattant dans les laboratoires. Tu as peut-être, dans ta grande sagesse, entendu parler du CSEM, en Suisse, où j'ai travaillé 8 ans et publié et été cité ? Et du CERN, près de Genève, pour qui j'ai effectué des mandats (dans le cadre du CSEM) pour ATLAS, qui m'a cité aussi ?

Lorsque je parle de bla-bla, c'est pour qualifier les gens qui défendent des sujets qu'ils ne connaissent pas, en se présentant comme des experts. Tu n'y connais manifestement rien, tu n'as pas compris grand chose à l'article en question, de cela personne ne peut t'en vouloir. Mais tu te répands sur des lignes et des lignes de prose indigeste, mélangeant pseudo-science avec complotisme voire politique. Ca, je n'ai aucune raison de te le pardonner. C'est ce genre d'attitude qui pourrit notre société, si sensible aux faux prophètes et aux savants du dimanche. Briller devant sa mère ou son petit frère, c'est facile. Mais encore faut-il savoir quand s'arrêter.

Tu fais pitié, en clair.
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Avatar de Christian Olivier
Chroniqueur Actualités https://www.developpez.com
Le 01/06/2018 à 14:01
Citation Envoyé par v1cent Voir le message
...
J'imagine que c'est une erreur de traduction ou de retranscription mais je comprends pas du tout à quoi il est fait référence.

...
https://dailygeekshow.com/graphene-e...gie-illimitee/
https://researchfrontiers.uark.edu/g...od-vibrations/

Cordialement
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Avatar de abriotde
Membre expérimenté https://www.developpez.com
Le 01/06/2018 à 14:15
J'imagine qu'il parlent d'utiliser le carbonne dans la fabrication de panneaux photo-voltaïques en remplacement du silicium et de ses dangereux additifs. Je sais que l'on parle d'utilisr le carbone aussi pour récupérer l'énergie du mouvement. Dans tous les cas, oui en théorie, mais en pratique n'y aura t'il pas des adjuvants toxique. Le silicium, c'est du sable, c'est bio-compatible.
La seule chose qui est très probable c'est une hausse des performances par rapport au silicium le jour ou...
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Avatar de wolinn
Membre éprouvé https://www.developpez.com
Le 08/06/2018 à 10:58
C'est de la conversion d'énergie mécanique en électricité, cette énergie mécanique provenant elle-même d'une déformation induite par la température. Et au passage, l'expérience marche à 3000K, ce qui laisse beaucoup de possibilités pour que ce système ne soit en fait qu'une sorte de thermocouple un peu rusé.
Intéressant, mais rien de si révolutionnaire.
Et ce n'est bien évidemment pas une source d'énergie primaire, ni même une façon de tricher avec le second principe.
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