L'électronique de demain sera-t-elle au graphène?

L'électronique de demain sera-t-elle au graphène? Jean-Noël Fuchs LPS, Univ. Paris-Sud et CNRS I) Qu'est-ce que le graphène? II) Comment faire du graphène? III) Pourquoi un tel engouement pour ce matériau? Pourquoi est-il exceptionnel? IV) Applications technologiques du graphène? Petit séminaire de vulgarisation, 26 mars 2009

Introduction/motivation: un nouveau cristal le graphène pourrait devenir le matériau de base d'une électronique miniaturisée

Qu'est-ce que le graphène? 3

Le graphène = cristal de carbone 2D, de structure en nid d'abeille 4

Le graphène = grillage à poule moléculaire = nid d'abeille en carbone «Grillage à poule» moléculaire Nid d'abeille en carbone 5

Carbone = l'atome à 6 électrons Le noyau = Diamètre de l'atome = 3 angströms = 3 10-10 mètre [Dans 1 mètre, 3 milliars d'atomes] Charge électrique 6

Carbone seul 6 électrons dont: 2 électrons de coeur (en orbite autour du noyau) 4 électrons de valence (périphériques) π Carbone dans une molécule ou un cristal par exemple carbone sp2: parmi les 4 électrons de valence - 3 sont dans des liaisons chimiques avec les plus proches atomes voisins: structure en hexagones - 1 est libre de se promener dans tout le cristal: électron de conduction 6 él. = 2 coeur(1)+3 liaisons(2)+1 conduction(tous) σ 7

Famille du carbone hexagonal (sp2): la mère et les enfants 2D 3D 1D 0D 8 Fullerènes

Famille du carbone tétragonal (sp3): le diamant 6 élecrons = 2 coeur + 4 liaisons. pas d'él. conduction 9

Graphène = 1 seule feuille extraite d'un cristal de graphite Liaison chimique covalente (forte) Liaison van der Waals (faible) 10

Brève histoire du carbone hexagonal - Graphite découvert au 16ème siècle - Graphite = crayon 1779 - Graphite = carbone (et pas plomb) 1789 - Fullerènes1985 [Kroto, Curl, Smalley; Nobel 1996] - Nanotubes de carbone 1991 [Iijima] - Graphène isolé 2004 [Geim; de Heer] - P.S.: Théorie des électrons du graphène 1947 [Wallace] Andre Geim Walt de Heer Philip R. Wallace 11

Comment faire du graphène? 12

Le graphène? Ou les graphènes? Graphène exfolié = feuille extraite d'un cristal de graphite. Méthode de Geim: «astuce du scotch». Substrat d'oxyde de silicium, scotch ordinaire, cristal de graphite de très bonne qualité. Graphène épitaxié = cristal fabriqué par l'homme. «Méthode de de Heer»: cristal de carbure de silicium (SiC) chauffé à 1300 C. Lorsque le silicium s'évapore, il reste du carbone et du graphène se reconstruit en surface. Il s'agit d'une autre forme de graphène: multicouches mais pas graphite. Depuis d'autres méthodes ont été inventées. 13

Astuce du scotch: ingrédients http://www.sciam.com/article.cfm?id=diy-graphene-how-to-make-carbon-layers-with-sticky-tape - galette de silicium (substrat) - scotch ordinaire - cristal de graphite de très bonne qualité Spécialistes «maison»: Claudia Ojeda et Alik Kasumov 14

Astuce du scotch: étape 1 http://www.sciam.com/article.cfm?id=diy-graphene-how-to-make-carbon-layers-with-sticky-tape 15

Astuce du scotch: étape 6 http://www.sciam.com/article.cfm?id=diy-graphene-how-to-make-carbon-layers-with-sticky-tape plus épais bicouche de graphène très épais: presque du graphite substrat Détection du graphène: microscope optique, puis microscope à force atomique (AFM), Spectroscopie Raman, effet Hall quantique, etc. 20 Les techniques soulignés sont disponibles au LPS.

Echantillon de graphène exfolié Graphène Contacts électriques (métal) Grille électrique (silicium rendu métallique par dopage 21 en électrons)

Feuille de graphène: échelles de longueur Feuille de graphène Côté = 1 micron = 2000 atomes Epaisseur = 0,5 nanomètre = 1 atome Geim et coll. 2004 Image SEM Feuille papier (A6) Côté = 10 centimètres Epaisseur = 0,1 millimètre = 100 microns = 1 cheveu Paris intramuros, immeuble de 3 étages Côté = 10 kilomètres Epaisseur = 10 mètres 22 Paris est une feuille

Le graphène est difficile à trouver: «une aiguille dans une meule de foin» Substrat (silicium): (1 centimètre)² Feuille de graphène: (1 micron)² Très grande feuille de graphène: (100 microns)² Microscope optique Paris: (10 kilomètres)² Banc public: (1 mètre)² Terrain de foot: (100 mètres)² Hélicoptère et des jumelles Paris est un substrat Parc Montsouris = 20 terrains de foot 23

Graphène: facile à faire, difficile à trouver 24 Transparent d'a. Castro-Neto (chercheur invité au LPS?)

Pourquoi un tel engouement des chercheurs? En quoi est-il exceptionnel? 25

Engouement des chercheurs: «la ruée vers le cabone» Site web de pré-publications Geim et coll. Kim et coll. Effet Hall quantique du graphène Geim et coll. Cristaux 2D < 26

Engouement des chercheurs Le comportement des électrons de conduction dans le graphène est différent de celui de tous les autres conducteurs. Dans le graphène, tout se passe comme si les électrons avaient une masse nulle (comme les photons) et se déplaçaient à la «vitesse de la lumière» (relativité). Ils sont à la fois quantiques et relativistes. Il faut reconstruire la théorie des solides juste pour ce matériau et remesurer la plupart de ses propriétés. Environ 15 personnes au LPS (surtout groupes Théo et Mésoscopie). 27

Relativiste = qui se déplace à une vitesse proche de la vitesse maximale (qui est la vitesse de la lumière) Planck 1900 Einstein 1905 Quantique = qui se comporte à la fois comme une particule ET comme une onde. Tout objet est quantique. Mais à notre échelle, il apparait soit comme une particule (une bille), soit comme une onde (la lumière, le son). 28

Propriétés exceptionnelles: les records du graphène - Électriques (le meilleur conducteur de l'électricité à température ambiante?) - Optiques (transparent car épaisseur d'1 atome) - Mécaniques (la membrane souple la plus solide) - Chimiques (peu réactif, très stable; très peu de défauts cristal., molécule plane géante; graphane) - Thermiques (le meilleur conducteur de la chaleur à température ambiante) - Existence! (un cristal 2D ne devrait pas exister...) 29

Un mythe chez les physiciens: «Un cristal 2D? Mais ça n'existe pas!» Un théorème affirmant qu'un cristal bidimensionnel serait impossible? (Mermin et Wagner 1968; arguments physiques de Peierls et Landau 1930) En réalité un théorème repose sur des hypothèses. Mais la majorité des physiciens n'avaient retenu que la conclusion du théorème... et pas ses hypothèses. Si... alors... Peut-être que le graphène existe grâce au substrat?30

J. Meyer et coll., Nature 2007 Et pourtant... enroulement Graphène (monocouche) 0,5 microns 31

Le graphène se gondole pour exister J. Meyer et coll., Nature 2007 Hauteur des vagues statiques («ripples») = 3 atomes Longueur des vagues statiques = 30 atomes 32

La membrane la plus solide J. Hone et coll., Science 2008 Petit tambour (1 micron) 33

La membrane la plus solide... J. Hone et coll., Science 2008 La contrainte (2D) à rupture = 42 Newtons/mètre 2 tonnes Stylo (pointe diamètre = 1mm) Pointe AFM en diamant (le silicium casse) Diamètre = 30 nanomètres Film alimentaire qui aurait la même solidité à la rupture que le graphène (épaisseur = 100 microns) Raisons: les liaisons C-C sont très fortes, la feuille de graphène n'a pas de défauts. Ce qui ne serait pas vrai d'une feuille capable de recouvrir une tasse... 34

... mais aussi très rigide (au pliage) T. Booth et coll., Nano Letters 2008 - Membranes (graphène suspendu) de grande taille: 100 microns = 0,1mm. 35 - Très rigides: extension sans support sur 10 microns Ce qui équivaudrait à une feuille de papier en extension sur 5 mètres (ou 100?).

Classification des «conducteurs» (théorie des bandes) Energie 1 grande bande permise gap bande permise bande permise gap bande permise bande interdite (gap) bande permise 0 électron dans le vide: électron dans un cristal énergie augmente quand (théorème de Bloch 1928) vitesse augmente 36

Remplissage de bande: principe de Pauli Principe d'exclusion (Pauli 1925): 1 seul électron par état quantique (1 état quantique = 1 manière de se comporter pour un électron) Energie Etats vides Isolant (grand gap) Graphène (gap nul) Energie de Fermi = énergie limite de remplissage des bandes par les électrons Semiconducteur (petit gap) Etats occupés par des électrons Métal (conducteur) 37

Relation de dispersion du graphène (carte de voeux 2008 du LPS) En erg ie de Fe rm i Energie de Fermi P.R. Wallace, Physical Review 1947 38

Le graphène conduit très bien l'électricité... à température ambiante La mobilité électrique [en m²/v.s] mesure la facilité avec laquelle un matériau conduit l'électricité. M. Fuhrer et coll., Nature Nanotechnology 2008 39

Applications technologiques? 40

Miniaturisation de l'électronique Le graphène a le potentiel de remplacer le silicium (qui est actuellement à la base de l'électronique). Nanoruban de graphène = fil électrique nanométrique (capillaire électrique) Tailler les rubans pour graver directement des circuits électroniques. Exemple: une constriction dans un ruban de graphène. 41

Miniaturisation de l'électronique Le transistor le plus petit au monde: largeur de 10 atomes, épaisseur d'1 seul atome. Grille latérale Source Drain Canal de conduction (point quantique) Geim et coll. Science 2008 Le transistor le plus petit au silicium ne devrait pas aller en dessous de 10 nanomètres = 30 atomes. 42

Du graphène industriel? Plusieurs petites entreprises vendent du graphène (à Manchester, à Atlanta). De grandes entreprises de l'électronique/informatique s'intéressent au graphène (Intel, IBM, HP, Samsung, etc.). Graphene industries (start up à Manchester) Vente de graphène exfolié (~ 500 microns2) Prix au mètre carré ~ 700 milliards d' (Budget annuel de l'état ~ 250 milliards d' ) 43

Ecran cristaux liquides (LCD) avec des électrodes transparentes en graphène Graphène = membrane souple, transparente et conductrice 30 microns 44 Geim et coll., Nano Letters 2008

Stockage d'hydrogène sur du graphane Théorie: Sofo et coll. 2007 Expérience: Geim et coll. 2009 Autre application: le graphane est isolant, il a un gap non-nul. Utile pour l'électronique. 45

Papier à base d'oxyde de graphène Millefeuille de feuilles d'oxyde de graphène (épaisseur finale = 5 microns) Propriétés mécaniques remarquables (rigidité et résistance à la rupture) R. Ruoff et coll., Nature 2007 46

Ultra-condensateur électrique à base de graphène modifié chimiquement Sorte de super batterie électrique à base de graphène modifié chimiquement. Utilise le très grand rapport surface/masse: Papier ordinaire = 80 grammes/mètre² Graphène = 0,8 milligramme/mètre² (facteur 100 000) Petite entreprise crée en décembre 2008 Graphene Energy (au Texas) Un brevet a été déposé. R. Ruoff et coll., Nano Letters 2008 47

Science fiction? Séquençage de l'adn PUB Prochain PSV: tout sur l'adn par Marta de Frutos 48 H. Postma, arxiv:0810.3035

Conclusion 49

A retenir - Le graphène est un cristal de carbone 2D en forme de nid d'abeille, une molécule géante plane (mais gondolée) - Ses propriétés de conduction électronique le rendent exceptionnel (différent de presque tous les autres matériaux): électrons de masse nulle. - L'application la plus prometteuse: miniaturisation de l'électronique 50

Références Articles de vulgarisation scientifique: - Pour la Science, mai 2008, page 36 - Sciences et Avenir, juillet 2007, page 73 - La Recherche, janvier 2009, page 30 - L'Usine nouvelle N 3068, septembre 2007, page78 Sur la toile: - Images de la physique 2007 (CNRS), page 50 http://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/2007.htm - Site d'andre Geim et de son équipe à Manchester http://onnes.ph.man.ac.uk/nano/ - Faire du graphène soi-même (site de Scientific American): http://www.sciam.com/article.cfm?id=diy-graphene-how-to-make-carbon-layers-with-stickytape 51

J.C. Meyer et coll., Nano Letters 2008 (TEM) FIN Merci à Marie-France Mariotto et à Manue Rio! 52

Réformes en cours dans l'enseignement supérieur et la recherche: la mobilisation continue. Manif nationale le jeudi 2 avril 53