Le prix Nobel de physique 2010 attribué à Andre Geim et Konstantin Novoselov

[nassim]

Le prix Nobel de physique 2010 a été attribué aux scientifiques d'origine russe Andre Geim et Konstantin Novoselov, rattachés à des universités britanniques, pour leurs "expériences sur le graphène bi-dimensionnel" qui est une forme de carbone. Ce nouveau matériau devrait jouer un grand rôle dans l'électronique.

Le comité Nobel a récompensé les deux scientifiques pour leurs travaux sur le graphène, un flocon de carbone constitué d'un seul atome qui pourrait permettre "de fabriquer de l'électronique innovante".

"Quasi-transparent et excellent conducteur, le graphène est adapté pour produire des écrans tactiles transparents, et peut-être des cellules solaires", souligne le comité Nobel.

André Geim, 51 ans, est néerlandais alors que Novoselov, 36 ans, détient la double nationalité russe et britannique, mais ils sont tous deux d'origine russe et y ont débuté leur carrière.

source : AP

[Blofeld]

Mince! l'année dernière on a proposé deux sujets de thèse (presque identiques) sur l'étude théorique du graphène !! Ceci prouve que c'est une piste de recherche pour le moins prometteuse.

[nacer-eddine06]

Les prouesses du graphène

Cristal le plus fin du monde, ce nouveau matériau issu du carbone défie les physiciens et promet des applications époustouflantes.

L'électronique de demain s'apparentera peut-être à de la haute couture. Délaissant les classiques galettes de silicium où ils gravent des transistors et des mémoires, les physiciens s'entichent aujourd'hui d'une sorte d'étoffe de carbone aux propriétés stupéfiantes : le graphène.

Sur cette grande molécule, un motif hexagonal parfait se répète quasi à l'infini en forme de nid d'abeilles. Elle évoque les célèbres fullerènes, ces molécules en forme de ballon de football de quelques nanomètres de diamètre. Ou encore les nanotubes de carbone, ces longs tuyaux de même diamètre et jusqu'à mille fois plus long. Mais en fait, le graphène est totalement plat : un atome d'épaisseur seulement, soit 0, 6 nanomètre ! C'est le cristal le plus fin du monde.

Il existe sous forme de larges rubans, plissés, déchirés ou froissés, qu'on peut tailler à sa guise pour jouer avec des électrons aux comportements à nuls autres pareils.

Le graphène n'est en effet ni vraiment un isolant, ni non plus un métal, ni même un semi-conducteur ( lire Repères p. 75 ) . Les électrons s'y baladent comme s'ils avaient perdu leur masse et y filent à environ 1 / 300 de la vitesse de la lumière. « Si vous appliquez naïvement les formules valables pour les matériaux classiques, ça ne marche pas ! » constate Jean-Noël Fuchs, du Laboratoire de physique du solide ( LPS ) d'Orsay ( Essonne ). Autre atout, les électrons y circulent en ligne droite. Aucune impureté ne semble les affecter dans leur course. Du coup, leur mobilité, un paramètre clé pour les applications, est supérieure de dix fois à celle mesurée dans le silicium et rivalise avec celle relevée dans des composés très coûteux et horriblement délicats à fabriquer.
Rien de tel pour le graphène ! Il est né en 2004 d'un crayon à papier ( en fait du graphite plus pur ) et d'un banal morceau de Scotch, sur une paillasse du laboratoire de physique mésoscopique d'Andre Geim, à Manchester, en Angleterre ( lire l'encadré ci-contre ) . Nul besoin de s'isoler dans une « salle blanche », vierge de poussière, comme c'est le cas pour les autres composants électroniques.
Le nouveau cristal est un succès. « Depuis un an, je compte un article par jour environ sur ce sujet », témoigne Mark Goerbig, du LPS, co-organisateur en mai d'une première mini-conférence en France sur le sujet.

« Nous attendions 30 personnes . Plus d'une centaine s'est inscrite. » Un tel engouement est rare. « C'est plus que pour les nanotubes. Il faut dire que cette fois, les théoriciens s'intéressent au sujet », rappelle Héléne Bouchiat, du LPS.
Et les industriels sont déjà sur le créneau. A Manchester, la start-up Graphene Industries s'est lancée dans la production à partir des idées du laboratoire voisin. « Nous pouvons fabriquer 1000 à 5000 micromètres carrés de graphène par jour » , précise Tim Booth, son directeur. De leur côté, IBM et Intel financent le laboratoire américain de Walter de Heer, au Georgia Tech, qui a également fabriqué du graphène, selon un autre procédé, en 2004.

Avec ce cristal, beaucoup songent à réaliser des transistors rapides, des connexions plus petites et empilables, ce qui permettrait d'aller au-delà de la loi de Moore qui régit empiriquement les progrès de l'électronique, fondés sur la miniaturisation régulière des composants. D'autres s'intéressent plutôt à ses propriétés mécaniques et songent à l'inclure dans des matrices de polymères pour les rendre plus résistantes. Une application déjà visée par les nanotubes mais qui serait moins onéreuse à réaliser.

La fascination exercée par le graphène réside aussi dans ses propriétés fondamentales originales. Il a dynamité quatre champs d'investigation. Tout d'abord, la théorie prévoyait que de tels cristaux plans ne pouvaient pas exister. Dans la nature, les atomes n'ont en effet qu'une envie : se rapprocher les uns des autres pour former des structures plus stables. Par exemple, s'enrouler en nanotubes, se rassembler en ballon de foot version fullerènes. Mais rester sagement en plan, non ! Au départ, l'astuce des chercheurs a consisté à maintenir le plan de graphène sur un substrat, comme on colle une affiche sur un mur. Puis, il y a quelques mois, les Anglais de Manchester ont fait mieux en déposant la fine étoffe sur des grilles d'or dont les barreaux sont distants d'un demi-micromètre ( pour une feuille de graphène d'environ deux micromètres de long ). Finalement, la théorie est sauve car les chercheurs ont découvert que les rubans se « gondolent », formant de minuscules bosses de 0, 5 nanomètre de haut sur 5 de large, stabilisant le cristal.
Deuxièmement : fabriquer le graphène n'est pas tout. Encore faut-il le voir et le sonder.

[nacer-eddine06]

« Trouver du graphène s'apparente à chercher une aiguille dans une meule de foin. La meule faisant un centimètre carré et l'aiguille 10 micromètres carrés environ, soit 10 millions de fois plus petit » , résume Jean-Noël Fuchs. Le graphène était dans les labos depuis longtemps sans le savoir... ( comme les nanotubes et les fullerènes ). En fait, dès les années 1990, de premières annonces furent faites. Malheureusement, le substrat sur lequel il existait était métallique et empêchait toute mesure propre au graphène, ses électrons se mélangeant à ceux du support. Avec des supports isolants, les expériences sont devenues plus simples. Reste qu'il faut des astuces pour bien repérer les monocouches de graphène. A l'oeil nu, on peut les voir à condition que le substrat fasse précisément 285 nanomètres d'épaisseur, sinon il n'y a pas assez de contraste.

Troisième surprise : l'apparition d'un nouvel effet électronique, dit effet Hall quantique. Celui-ci est bien connu dans les matériaux mais il se manifeste différemment dans le graphène ; il est même un moyen de savoir si l'on a une, deux ou plusieurs couches de carbone. Explication : lorsqu'un champ magnétique est appliqué perpendiculairement à un conducteur plan, les porteurs de charge sont déviés et une résistance supplémentaire apparaît. Si la mer d'électrons est quantique, alors cette résistance l'est aussi. Dans le graphène, c'est la même chose mais avec une quantification légèrement différente. L'observation de ce phénomène par l'équipe de Geim, en 2005, a été le véritable déclencheur de l'engouement pour le graphène. Cet effet Hall est en effet un excellent moyen de connaître le nom- bre de couches d'un échantillon. Il permettrait aussi de disposer d'un étalon de résistance électrique très commode car disponible à température ambiante avec un matériau facile à fabriquer.

Quatrièmement : le graphène ouvre la porte de la physique des particules... sans accélérateur. Les équations régissant le comportement des électrons dans les rubans de graphène sont en effet les mêmes que celles décrivant les particules chargées en mécanique quantique, une théorie baptisée « électrodynamique quantique ». Celle-ci a été remarquablement testée dans les accélérateurs de particule mais quelques effets restent inobservés. Par exemple, le paradoxe de Klein selon lequel aucune barrière n'arrête les bolides lancés à une vitesse proche de celle de la lumière. En mécanique quantique, les particules peuvent passer, par effet tunnel, à travers des obstacles mais la probabilité de passage diminue avec l'épaisseur de la barrière. Or si les particules vont à la vitesse de la lumière, alors la théorie indique que l'obstacle est franchi à coup sûr !

« Il y a déjà quelques indices expérimentaux de ce paradoxe mais il faut de plus amples investigations » , résume André Geim. Autre exemple, le tremblement des particules ( de l'allemand « Zitterbewegung »). Les particules relativistes ne se déplacent pas exactement en ligne droite mais tremblotent le long de leur trajectoire. « Les électrons sont très durs à voir en microscopie par effet tunnel mais dans le graphène ce serait possible. Toutefois pas avant dix ans » , prophétise André Geim. Le graphène pourrait aussi permettre d'étudier le comportement des particules dans des espaces courbés comme certaines théories cosmologiques l'imposent...

A toutes ces surprises, s'ajoutent aussi bien des mystères qui titillent déjà les imaginations. Le graphène américano-français du Georgia Tech n'a pas les mêmes propriétés que le graphène anglais de Manchester. Il ne présente pas d'effet Hall ! « C'est peut-être que nos échantillons sont trop purs. Ou alors qu'il y a plus d'une couche de carbone », avance Claire Berger, à cheval sur le laboratoire du Georgia Tech et Grenoble.

Un autre sujet de vives discussions est que, même sans charge électrique, le graphène est conducteur ! Un procédé simple permet en
effet d'ajouter ou retrancher des porteurs de charges à la feuille et d'en mesurer ainsi la conductivité. Mais même quand, a priori, il n'y a plus d'électrons, le courant passe...

« Il y a au moins une trentaine de théories pour expliquer cela. Aucune n'est satisfaisante » , conclut Jean-Noël Fuchs. Ce chercheur est également intrigué par l'effet du champ magnétique sur les électrons. Normalement, ils tournent autour sur des cercles au rayon bien défini. Dans le graphène, certains tournent, mais avec un rayon nul !

« Le graphène est un nouveau paradigme et ouvre des possibilités nouvelles d'applications », résume Kostya Novoselov, du groupe de Manchester. Il y a donc encore du pain sur cette très fine planche.

L'université de Manchester a été la première à isoler une feuille de graphène , ici déposée sur une grille aux barreaux d'or distants d'un demi-micromètre environ ( à gauche ). En France, l'institut Néel a obtenu un graphène dont les plis ont environ un demi-micromètre de hauteur ( en haut ). A Orsay, le LPS étudie les propriétés électriques d'un ruban d'une trentaine de couches de graphène suspendu au-dessus d'un « fossé » ( ci-dessus ).
David Larousserie
Une ampoule, un crayon et un transistor

Tout commence, comme il se doit en science, par une ampoule qui s'éclaire. C'est celle d'Edison qui, à la fin du XIX e siècle, utilise des filaments en graphite pour les faire briller. Les rayons X révèlent ensuite que le graphite est un empilement de plans de carbone, identiques au graphène. Cette stratification assez lâche explique le dépôt d'une trace quand on écrit avec un crayon : des plans s'arrachent de la mine. Ensuite, les théoriciens se sont intéressés à cette jolie et idéale structure de carbone en nid-d'abeilles. Sur le papier, le graphène était donc connu depuis que le Canadien Philip Wallace en avait prédit les étonnantes propriétés en 1947. Mais il fallut attendre le début des années 2000 pour en « voir » vraiment. Dix ans auparavant, du graphène avait été obtenu sur des supports en métal, rendant hélas ! impossible toute mesure électronique propre au graphène. En 2004, c'est la révélation. Deux équipes de chercheurs publient quasi simultanément leur recette. En Angleterre, à Manchester, ils arrachent avec un simple Scotch des morceaux de graphite, puis les déposent sur un support isolant. Et recommencent l'opération, arrachant ainsi plan par plan des couches de carbone, jusqu'à obtenir une simple couche de graphène. Aux Etats-Unis, au Georgia Tech, un bloc de carbure de silicium est enfourné deux heures à 1400 ° C, le temps d'évaporer le silicium et de ne laisser en surface qu'un plan de carbone.