Le graphène, paradigme des matériaux 2D, et ses hétérostructures

La première isolation du graphène, disposés en hexagones, en 2005 a attiré beaucoup d’attention en raison de ses caractéristiques remarquables : entre autres son comportement ambipolaire et sa grande résistance mécanique. 5 ans plus tard, les recherches sur cette forme grasse du graphène ont permis à André Geim et Konstantin Novoselov de recevoir le Prix Nobel en démontrant ces propriétés exceptionnelles qui proviennent du monde remarquable de la physique quantique.

En tant que matériau, le graphène est complètement nouveau. Il est non seulement le plus mince mais aussi le plus résistant ! En tant que conducteur d’électricité, il est aussi performant que le cuivre. En tant que conducteur de chaleur, il surpasse tous les autres matériaux connus. Il est presque complètement transparent, mais tellement dense que même l’hélium, le plus petit atome de gaz, ne peut le traverser. La communauté scientifique a découvert plus de 2500 autres matériaux en couches, atomiquement minces appelés matériaux bidimensionnels. Bien que ces matériaux couvrent une gamme étonnante de propriétés électriques, chimiques, optiques et mécaniques, la découverte la plus frappante est peut-être que ces cristaux peuvent être combinés librement pour créer de tout nouveaux matériaux : c’est ce qu’on appelle les hétérostructures de Van der Waals.

Le nom de ses hétérostructures provient du fait que les couches atomiquement minces ne sont pas mélangées par une réaction chimique mais plutôt fixées les unes aux autres par une faible interaction de Van der Waals. Contrairement aux matériaux 2D conventionnels cultivés par épitaxie, ces structures peuvent être constituées de n’importe quelle combinaison de matériaux 2D, en effet, il n’y a pas de restrictions quant aux paramètres du réseau. Un autre degré de liberté de ces nouveaux matériaux est l’alignement angulaire relatif entre ses couches qui peut modifier considérablement ses propriétés fondamentales.

En raison de leurs propriétés uniques de couplage entre couches et d’optoélectronique, ces matériaux présentent un intérêt considérable pour la nanoélectronique de la prochaine génération : ils permettent de créer des structures de hautes performances adaptées à un usage spécifique. Les hétérostructures de Van der Waals ouvrent également un énorme potentiel dans des domaines tels que la nanochimie ou la médecine. Des centaines de combinaisons deviennent possibles autrement inaccessibles dans les matériaux tridimensionnels traditionnels. Celles-ci donneront certainement accès à de nouvelles fonctionnalités inexplorées de dispositifs à des propriétés de matériaux nouvelles.   

    

Par Lise WATRIN

 

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