LE GRAPHENE
Le graphite est un matériau fait de couches d’atomes de carbone. Superposés dans ces couches, les atomes de carbone sont de forme hexagonale, en nid d’abeille, en 2004 les physiciens en laboratoire ont réussi à en isoler une couche d’un seul atome d’épaisseur appelé graphène .
Feuille de graphène
Chaque atome de carbone est lié par leurs électrons à trois autres atomes de carbone voisins pour créer des liaisons chimiques. Un quatrième électron se délocalise sur toute la couche de graphène, ce qui permet au courant électrique de passer. Nous allons voir comment le courant électrique se comporte avec ce nouveau matériau. La différence entre un métal et un isolant se comprend au niveau des bandes d'énergies des électrons. Dans un isolant, les bandes sont soit toutes pleines, soit toutes vides, et séparées par un espace interdit le gap, dans un métal au contraire une des bandes n’est pas complètement remplie. Lorsque l'on veut mesurer l’énergie de ces électrons en fonction de leur implusion, les bandes deviennent des paraboles. Les bandes d'énergie du graphène forment deux cônes inversés appelés cônes de Dirac se touchant en leurs extrémités. Il n’y a plus l’espace interdit contrairement à l'isolant et pas de bandes partiellement remplies comme le métal. Grâce à ces cônes, le comportement des électrons est diffèrent de tout ce qu’on a pu observer : Tout les électrons ont la même vitesse, et n’ont pas d’inertie, c’est à dire qu’ils se comportent comme si leur masse était nulle comme des particules qui se déplaceraient à la vitesse de la lumière .
Propriétés électriques du graphène
Lorsque l'on applique un courant électrique entre le graphène et une plaque métalique séparée par un isolant, cela créer un champ électrique faisant varier la quantité d'électrons. Dans un sens (sens négatif) cela remplit le cône du haut (ajout d'électron), dans l’autre sens (sens positif) cela vide le cône du bas et ajoute des électrons appelés “trous”. Un dispositif similaire est déjà utilisé dans nos ordinateurs mais avec des semi-conducteur, remplacer les semi-conducteurs par du graphène est un des enjeux de la recherche moderne. De plus ces excellentes propriétes conductrices font de lui le successeur idéal du silicium en particulier pour le nano éléctrique en effet le graphène conduit 30 fois plus vite les éléctrons que le silicium, on peut donc en théorie faire 30 fois plus de calculs durant le même période de temps, et de plus le graphène refroidit très rapidement il s’échauffe donc moins vite que le silicium. Dans la plupart des matériaux, la chaleur électronique dépasse largement l'auto-refroidissement, cependant dans les transistors de graphène il y a des lieus où le refroidissement thermoélectrique dépasse la chaleur générée, ce qui permet à ces puces de se refroidir elles-mêmes, ce qui pourrait dire adieu aux ventilateurs. Enfin la structure moléculaire du graphène est mieux adaptée à des finesses de gravures nanométriques. En mettant en relation ces trois propriétés, on obtieint des puces éléctroniques dont le rapport performances par watt est exceptionnel.
Sachant que de nos jours, on a trouver une manière efficace d’isoler une couche de graphène d’un atome d’épaisseur grâce à une technique appeler “la réduction à l'hydrazine” cette technique revient à placer un papier d’oxyde de graphite dans une solution d’hydrazine pure ( de formule NH2-NH2 ), l’hydrazine pure réduit l’oxyde de graphite en feuilles de graphène, mais ces feuilles ont une qualité inférieur.
Le graphène est aussi un matériel très fin, très léger, très solide (il est 100 fois plus solide et 6 fois plus lèger que l’acier), conduit mieux l’éléctricité que le cuivre, est transparent et est flexible et est très dense (même l’hélium ne passe pas au travers). De par cette polyvalence ces applications à l’industrie concernent des domaines très larges voici quelque exemple:
-Des écrans flexible (pliables et enroulables) très fins et desquels on pourrait payer des appareils photos et vidéo nocturne
-Des batteries à durée de vie plus longue pour les téléphones, les ordinateurs et les voitures (les électrodes de graphène font des batteries dix fois plus durable)
-De nouveaux réseau de télécommunication ultra-rapides
-Des avions qui voleront plus vite et émettrons moins de gaz nocifs dans l’air.
-Des panneaux solaires ayant une meilleurs rentabilité 42% (Les panneaux solaires actuels ont une rentabilité de 16%)