Chimie du graphène

Le graphène, une forme bidimensionnelle de carbone cristallin, soit une seule couche d'atomes de carbone formant un réseau en nid d'abeilles (hexagonal) ou plusieurs couches couplées de cette structure en nid d'abeilles. Le mot graphène, lorsqu'il est utilisé sans spécifier la forme (par exemple, graphène bicouche, graphène multicouche), fait généralement référence au graphène monocouche. Le graphène est une forme parent de toutes les structures graphitiques du carbone: le graphite, qui est un cristal tridimensionnel composé de couches de graphène relativement faiblement couplées; des nanotubes, qui peuvent être représentés par des rouleaux de graphène; et buckyballs, molécules sphériques en graphène avec des anneaux hexagonaux remplacés par des anneaux pentagonaux.

Premières études sur le graphène

L'étude théorique du graphène a été commencée en 1947 par le physicien Philip R. Wallace comme première étape pour comprendre la structure électronique du graphite. Le terme graphène a été introduit par les chimistes Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton et Eberhard Stumpp en 1986 comme une combinaison du mot graphite, se référant au carbone dans sa forme cristalline ordonnée, et du suffixe -ene, se référant aux hydrocarbures aromatiques polycycliques dans lesquels les atomes de carbone forment des structures cycliques hexagonales ou à six faces.

En 2004, les physiciens de l'Université de Manchester, Konstantin Novoselov et Andre Geim et ses collègues, ont isolé le graphène monocouche en utilisant une méthode extrêmement simple d'exfoliation du graphite. Leur «méthode du scotch-tape» a utilisé du ruban adhésif pour retirer les couches supérieures d'un échantillon de graphite, puis appliquer les couches sur un matériau de substrat. Lorsque le ruban a été retiré, une partie du graphène est restée sur le substrat sous forme monocouche. En fait, la dérivation du graphène n'est pas une tâche difficile en soi; chaque fois que quelqu'un dessine avec un crayon sur du papier, la trace de crayon contient une petite fraction de graphène monocouche et multicouche. La réussite du groupe de Manchester a été non seulement d'isoler les flocons de graphène mais aussi d'étudier leurs propriétés physiques. En particulier, ils ont démontré que les électrons dans le graphène ont une mobilité très élevée, ce qui signifie que le graphène pourrait éventuellement être utilisé dans des applications électroniques. En 2010, Geim et Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique pour leur travail.

Dans ces premières expériences, le substrat du graphène était du silicium recouvert naturellement d'une fine couche transparente de dioxyde de silicium. Il s'est avéré que le graphène monocouche créait un contraste optique avec le dioxyde de silicium qui était suffisamment fort pour rendre le graphène visible sous un microscope optique standard. Cette visibilité a deux causes. Premièrement, les électrons dans le graphène interagissent très fortement avec les photons dans les fréquences de lumière visible, absorbant environ 2,3% de l'intensité de la lumière par couche atomique. Deuxièmement, le contraste optique est fortement amélioré par les phénomènes d'interférence dans la couche de dioxyde de silicium; ce sont les mêmes phénomènes qui créent des couleurs arc-en-ciel dans des films minces tels qu'un film de savon ou de l'huile sur l'eau.