Le graphène prêt à changer d'échelle

Le cristal de carbone à deux dimensions est devenu la coqueluche des laboratoires. Grâce à ses propriétés exceptionnelles et au progrès des techniques de fabrication, les applications ne sont plus très loin

Il y a seulement quelques années, on doutait encore de son existence. Aujourd'hui, le graphène, un cristal de carbone plan - ni plus ni moins qu'une couche de graphite d'un atome d'épaisseur - attire les plus grands. En décembre dernier, IBM dévoilait un transistor à effet de champ opérant à plusieurs gigahertz. Et, tout récemment, le prestigieux Massachusetts Institute of Technology présentait un multiplicateur de fréquence qui permet d'envisager des circuits intégrés surcadencés, jusqu'à 1 000 GHz ! Les deux dispositifs expérimentaux ont en commun d'être à base de graphène.

FINI LE « PELAGE AU SCOTCH », PLACE À LA SYNTHÈSE

Depuis environ un an, ce matériau progresse sur tous les fronts : méthodes de fabrication, caractérisations des propriétés et applications potentielles. Des start-up démarrent autour de travaux universitaires et les grands industriels se préparent en coulisses. Dans le sillage des nanotubes, autre forme nouvelle du carbone, qui sont en passe d'être industrialisés, le graphène est tout aussi prometteur. Le premier verrou qui a sauté est celui des méthodes de fabrication. Initialement, on obtenait du graphène par exfoliation mécanique du graphite, sous forme de flocons minuscules. C'est la méthode « au scotch », qui consiste à peler la surface d'un cristal de graphite avec un ruban adhésif. Les flocons obtenus sont petits, irréguliers, et leur formation est difficile à contrôler.

Pour des applications électroniques, Walter de Heer, au Georgia Institute of Technology, utilise une méthode de croissance par épitaxie précise et contrôlée, adaptée à la production de circuits intégrés. La technique est coûteuse, mais le Georgia Tech a des sponsors puissants, comme Intel. Un autre procédé adapté à l'électronique vient d'être présenté par des universitaires coréens et par l'Institut de technologie Samsung. Cette fois, le graphène est fabriqué par dépôt chimique en phase vapeur sur du nickel.

Ces derniers mois ont surtout vu l'apparition de techniques plus simples, pas toujours applicables à la microélectronique mais fournissant du graphène en plus grandes quantités. Délaissant les technologies sophistiquées de l'industrie des semi-conducteurs, les chercheurs ont remis la chimie à l'honneur. Ainsi, l'Université de Californie Los Angeles (UCLA) a développé un procédé en solution consistant à placer de l'oxyde de graphite dans un bain d'hydrazine, qui réduit l'oxyde en graphène. Les feuilles obtenues sont de grande taille : 20 à 40 microns de côté.

Un autre procédé en solution a été présenté par l'université de Nouvelle-Galles du Sud, en Australie, où John Stride s'est totalement affranchi du graphite : sa méthode consiste à chauffer lentement de l'éthanol et du sodium, puis à pyrolyser le mélange, qui se transforme alors en un agrégat de films de graphène que l'on sépare par ultrasons. « La chimie en solution permettra des économies d'échelle quand on voudra passer à une production industrielle. Les matières premières ne sont pas chères, et la synthèse est simple », explique John Stride.

De nombreuses variantes de procédés chimiques sont apparues : exfoliation du graphite en solution au Trinity College de Dublin (Irlande), oxydation et expansion du graphite à l'université de Princeton (Etats-Unis), etc. « Chaque technique peut avoir ses avantages, en fonction de l'application visée. L'important est que ces méthodes sont capables de changer d'échelle, et donc d'ouvrir la voie à une utilisation commerciale du graphène », affirme Yang Yang, qui dirige les travaux menés à l'UCLA.

Pendant que certains font preuve d'inventivité sur les méthodes de production, d'autres continuent d'explorer les propriétés du matériau. Les « inventeurs » du graphène, à l'université de Manchester (Royaume-Uni), tout comme les chercheurs de Columbia, ont montré sa résistance mécanique record : un module d'Young de 1 térapascal, qui met les feuilles de carbone au niveau des nanotubes. Il s'agit d'un atout majeur, pour la microélectronique, par exemple, où un matériau résistant donne plus de marges de manoeuvre en fabrication et moins de rebuts. Mais les caractéristiques mécaniques ont déjà été exploitées par Rodney Ruoff, chercheur à la Northwestern University de Chicago (aujourd'hui à l'université du Texas), qui a montré comment fabriquer un « papier » au graphène, ultraléger et ultrarésistant.

LES START-UP ISSUES DES UNIVERSITÉS SE MULTIPLIENT

Le graphène présente d'autres propriétés intéressantes, comme une résistivité minimale à température ambiante, ou encore une conductivité thermique de l'ordre de 5 000 W/mK, soit deux fois celle du diamant. Et de multiples utilisations sont envisagées, qui vont du stockage de charges électriques au guide d'onde. Utiliser la faculté du graphène de passer de l'état conducteur à isolant est aussi très prometteur. On sait désormais contrôler la conductivité du graphène - a priori plutôt conducteur - par hydrogénation locale. On peut ainsi obtenir un dérivé isolant, baptisé graphane, ce qui laisse envisager des circuits logiques réalisés en contrôlant la chimie de surface. Plus généralement, en greffant des fonctions chimiques sur la molécule de graphène, il est possible de créer des additifs modifiant les propriétés de matériaux composites.

Ces multiples voies de développement ont déjà suscité la création de plusieurs start-up, issues des équipes universitaires : Graphene Energy (université du Texas), Graphene Industries (université de Manchester), Graphene Solutions (université du Wisconsin), Graphene Works (Georgia Institute of Technology), Vorbeck Materials (sous licence de Princeton) ou encore XG Sciences (université du Michigan). Chacune veut développer des marchés liés à son mode de fabrication.

Le pionnier, Graphene Industries, est un fournisseur des laboratoires de recherche (40 % de ses clients sont des industriels) en échantillons de graphène exfolié, fabriqués sur mesure dans 80 % des cas. XG Sciences vend aussi du graphène exfolié, dont il espère faire baisser le prix à 20 dollars (15 euros) le kilogramme pour de grandes quantités sous forme de nanoplaquettes servant à renforcer des polymères. Une application typique, en développement, est la fabrication de réservoirs d'essence ultralégers et ultrarésistants. En rendant conducteurs des polymères, les particules de graphène pourraient aussi faciliter la peinture électrostatique de pièces pour l'électronique, l'automobile ou l'aéronautique.

La spécialité de Graphene Energy, ce sont des ultracondensateurs pour le stockage d'énergie électrique. En effet, avec une surface spécifique qui peut atteindre 2 600 m²/g, le graphène peut piéger une quantité exceptionnelle d'ions. Rodney Ruoff pense qu'il est possible d'obtenir une capacité de stockage double de celle des meilleurs matériaux commercialisés (il est aujourd'hui à parité) et, à terme, de remplacer des batteries.

LA NANOÉLECTRONIQUE AUX MAINS DES GRANDS GROUPES

L'une des start-up les plus ambitieuses est Vorbeck Materials, qui construit une usine dans le Maryland et vient de s'associer à BASF pour développer des dispersions de graphène, afin de produire des revêtements et des composés conducteurs pour l'industrie électronique. Mais l'entreprise pousse aussi son matériau, Vor-X, vers d'autres applications. En effet, son graphène est relativement facile à fonctionnaliser, ce qui facilite son intégration dans une matrice polymère. Les caractéristiques obtenues seraient comparables à celles de composites renforcés de nanotubes de carbone, et le matériau devrait être beaucoup plus simple à réaliser.

Du coté de la nanoélectronique - le remplacement du silicium par des composants au graphène -, ce sont plutôt les grands de l'électronique, comme IBM et Intel, qui mènent les études. Avec prudence : le passage en production ne se fera pas avant 2015, et Intel attend de voir si le graphène est réellement aussi facile à contrôler en fabrication qu'on l'espère...

Pour autant, ce matériau n'a peut-être pas encore révélé tous ses atouts, particulièrement dans un contexte où le développement durable et le réchauffement climatique deviennent des enjeux majeurs. Selon John Stride, de l'université de Nouvelle-Galles du Sud, « si une taxe carbone se mettait en place à l'échelle mondiale, une industrie du graphène pourrait devenir un puits de carbone et en tirer des réels avantages financiers ! »