Propriétés électroniques
L’une des propriétés les plus utiles du graphène est qu’il s’agit d’un semi-métal à recouvrement nul (avec à la fois des trous et des électrons comme porteurs de charge) avec une conductivité électrique très élevée. Les atomes de carbone ont un total de 6 électrons, 2 dans la couche interne et 4 dans la couche externe. Les 4 électrons de la couche externe d’un atome de carbone individuel sont disponibles pour une liaison chimique, mais dans le graphène, chaque atome est connecté à 3 autres atomes de carbone sur le plan bidimensionnel, ce qui laisse un électron librement disponible dans la troisième dimension pour la conduction électronique. Ces électrons très mobiles sont appelés électrons pi (π) et sont situés au-dessus et au-dessous de la feuille de graphène. Ces orbitales pi se chevauchent et contribuent à renforcer les liaisons carbone-carbone dans le graphène. Fondamentalement, les propriétés électroniques du graphène sont dictées par la liaison et l’antiliaison (les bandes de valence et de conduction) de ces orbitales pi.
Les recherches combinées des 50 dernières années ont prouvé qu’au point de Dirac dans le graphène, les électrons et les trous ont une masse effective nulle. Cela se produit parce que la relation énergie – mouvement (le spectre pour les excitations) est linéaire pour les basses énergies près des 6 coins individuels de la zone de Brillouin. Ces électrons et ces trous sont appelés fermions de Dirac, ou Graphinos, et les six coins de la zone de Brillouin sont appelés points de Dirac. En raison de la densité d’états nulle aux points de Dirac, la conductivité électronique est en fait assez faible. Cependant, le niveau de Fermi peut être modifié par dopage (avec des électrons ou des trous) pour créer un matériau qui est potentiellement meilleur pour conduire l’électricité que, par exemple, le cuivre à température ambiante.
Des tests ont montré que la mobilité électronique du graphène est très élevée, avec des résultats précédemment rapportés supérieurs à 15 000 cm2-V-1-s-1 et des limites théoriquement potentielles de 200 000 cm2-V-1-s-1 (limitées par la diffusion des photons acoustiques du graphène). On dit que les électrons du graphène agissent de manière très similaire aux photons dans leur mobilité en raison de leur absence de masse. Ces porteurs de charge sont capables de parcourir des distances inférieures à un micromètre sans se disperser, un phénomène connu sous le nom de transport balistique. Cependant, la qualité du graphène et le substrat utilisé seront les facteurs limitatifs. Avec du dioxyde de silicium comme substrat, par exemple, la mobilité est potentiellement limitée à 40 000 cm2-V-1-s-1.
« En ce qui concerne l’avancement de la compréhension des véritables propriétés du graphène, ce n’est que la pointe de l’iceberg. Avant que le graphène soit fortement intégré dans les domaines dans lesquels nous pensons qu’il excellera, nous devons passer beaucoup plus de temps à comprendre juste ce qui en fait un matériau si étonnant »
Résistance mécanique
Une autre des propriétés remarquables du graphène est sa résistance inhérente. En raison de la force de ses liaisons carbone de 0,142 Nm de long, le graphène est le matériau le plus solide jamais découvert, avec une résistance à la traction ultime de 130 000 000 000 Pascals (ou 130 gigapascals), contre 400 000 000 pour l’acier de construction A36, ou 375 700 000 pour l’aramide (Kevlar). Non seulement le graphène est extraordinairement résistant, mais il est également très léger, avec 0,77 milligramme par mètre carré (à titre de comparaison, un mètre carré de papier est environ 1000 fois plus lourd). On dit souvent qu’une seule feuille de graphène (n’ayant qu’un atome d’épaisseur), d’une taille suffisante pour couvrir un terrain de football entier, pèserait moins d’un seul gramme.
Ce qui le rend particulièrement spécial, c’est que le graphène contient également des propriétés élastiques, étant capable de conserver sa taille initiale après une déformation. En 2007, des tests au microscope à force atomique (AFM) ont été réalisés sur des feuilles de graphène qui étaient suspendues au-dessus de cavités en dioxyde de silicone. Ces tests ont montré que les feuilles de graphène (d’une épaisseur comprise entre 2 et 8 Nm) avaient des constantes de ressort de l’ordre de 1-5 N/m et un module de Young (différent de celui du graphite tridimensionnel) de 0,5 TPa. Encore une fois, ces chiffres superlatifs sont basés sur des perspectives théoriques utilisant du graphène sans défaut contenant aucune imperfection et actuellement très coûteux et difficile à reproduire artificiellement, bien que les techniques de production s’améliorent régulièrement, réduisant finalement les coûts et la complexité.
Propriétés optiques
La capacité du graphène à absorber un assez grand 2,3% de la lumière blanche est également une propriété unique et intéressante, surtout si l’on considère qu’il n’a qu’un atome d’épaisseur. Cela est dû à ses propriétés électroniques susmentionnées ; les électrons se comportent comme des porteurs de charge sans masse avec une très grande mobilité. Il y a quelques années, il a été prouvé que la quantité de lumière blanche absorbée est basée sur la constante de structure fine, plutôt que d’être dictée par les spécificités du matériau. L’ajout d’une autre couche de graphène augmente la quantité de lumière blanche absorbée d’environ la même valeur (2,3 %). L’opacité du graphène de πα ≈ 2,3% équivaut à une valeur de conductivité dynamique universelle de G=e2/4ℏ (±2-3%) sur la gamme de fréquences visibles.
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En raison de ces caractéristiques impressionnantes, il a été observé qu’une fois que l’intensité optique atteint un certain seuil (connu sous le nom de fluence de saturation), une absorption saturable a lieu (une lumière de très haute intensité provoque une réduction de l’absorption). Il s’agit d’une caractéristique importante en ce qui concerne le verrouillage de mode des lasers à fibre. En raison des propriétés d’absorption saturable ultrarapide insensible à la longueur d’onde du graphène, un verrouillage de mode pleine bande a été réalisé à l’aide d’un laser à fibre à soliton dissipatif dopé à l’erbium, capable d’obtenir un accord de longueur d’onde aussi grand que 30 nm.
En ce qui concerne l’avancement de la compréhension des véritables propriétés du graphène, ce n’est que la partie émergée de l’iceberg. Avant que le graphène ne soit fortement intégré dans les domaines dans lesquels nous pensons qu’il excellera, nous devons passer beaucoup plus de temps à comprendre juste ce qui en fait un matériau si étonnant. Malheureusement, alors que nous avons beaucoup d’imagination pour trouver de nouvelles idées d’applications et d’utilisations potentielles du graphène, il faut du temps pour apprécier pleinement ce qu’est réellement le graphène afin de transformer ces idées en réalité. Ce n’est cependant pas nécessairement une mauvaise chose, car cela nous donne l’occasion de tomber sur d’autres super-matériaux jusqu’alors peu étudiés ou négligés, comme la famille des structures cristallines 2D que le graphène a fait naître.