Dans ce qui est devenu connu sous le nom de "technique du scotch, " les chercheurs ont extrait le graphène pour la première fois avec un morceau d'adhésif en 2004. Le graphène est une couche unique d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille, motif hexagonal. On dirait du grillage à poule.

Le graphène est un matériau miracle. Il conduit cent fois mieux l'électricité que le silicium. C'est plus fort que le diamant. Et, à seulement un atome d'épaisseur, il est si mince qu'il est essentiellement un matériau bidimensionnel. Une physique aussi prometteuse a fait du graphène la substance la plus étudiée de la dernière décennie, notamment en nanotechnologie. En 2010, les chercheurs qui l'ont isolé les premiers se sont partagé le prix Nobel.

Encore, alors que le graphène est beaucoup de choses, ce n'est pas piézoélectrique. La piézoélectricité est la propriété de certains matériaux de produire une charge électrique lorsqu'ils sont pliés, pressé ou tordu. Peut-être plus important encore, la piézoélectricité est réversible. Lorsqu'un champ électrique est appliqué, les matériaux piézoélectriques changent de forme, donnant un niveau remarquable de contrôle technique.

Les piézoélectriques ont trouvé une application dans d'innombrables appareils de montres, radios et ultrasons aux démarreurs à bouton-poussoir des barbecues au propane, mais ces utilisations nécessitent toutes une taille relativement importante, quantités tridimensionnelles de matériaux piézoélectriques.

Maintenant, dans un article publié dans la revue ACS Nano , deux ingénieurs en matériaux de Stanford ont décrit comment ils ont conçu des éléments piézoélectriques en graphène, étendant pour la première fois un tel contrôle physique fin à l'échelle nanométrique.

Straintronics

"Les déformations physiques que nous pouvons créer sont directement proportionnelles au champ électrique appliqué et cela représente une façon fondamentalement nouvelle de contrôler l'électronique à l'échelle nanométrique, " a déclaré Evan Reed, chef du Materials Computation and Theory Group à Stanford et auteur principal de l'étude. "Ce phénomène apporte une nouvelle dimension au concept de 'straintronics' pour la façon dont le champ électrique déforme - ou déforme - le réseau de carbone, l'amenant à changer de forme de manière prévisible."

"Le graphène piézoélectrique pourrait fournir un degré inégalé d'électricité, commande optique ou mécanique pour des applications allant des écrans tactiles aux transistors nanométriques, " a déclaré Mitchell Ong, chercheur post-doctoral dans le laboratoire de Reed et premier auteur de l'article.

A l'aide d'une application de modélisation sophistiquée fonctionnant sur des supercalculateurs hautes performances, les ingénieurs ont simulé le dépôt d'atomes d'un côté d'un réseau de graphène - un processus connu sous le nom de dopage - et mesuré l'effet piézoélectrique.

Ils ont modélisé du graphène dopé au lithium, hydrogène, potassium et fluor, ainsi que des combinaisons d'hydrogène et de fluor et de lithium et de fluor de chaque côté du réseau. Doper juste un côté du graphène, ou dopant les deux faces avec des atomes différents, est la clé du processus car il brise la symétrie physique parfaite du graphène, qui sinon annule l'effet piézoélectrique.

Les résultats ont surpris les deux ingénieurs.

"Nous pensions que l'effet piézoélectrique serait présent, mais relativement petit. Encore, nous avons pu atteindre des niveaux piézoélectriques comparables aux matériaux tridimensionnels traditionnels, " a déclaré Reed. " C'était assez important. "

Piézoélectricité design

« Nous avons également pu affiner l'effet en dopant le graphène par motif, en plaçant sélectivement des atomes dans des sections spécifiques et non dans d'autres, " a déclaré Ong. "Nous l'appelons piézoélectricité de conception car elle nous permet de contrôler stratégiquement où, quand et dans quelle mesure le graphène est déformé par un champ électrique appliqué avec des implications prometteuses pour l'ingénierie."

Alors que les résultats de la création de graphène piézoélectrique sont encourageants, les chercheurs pensent que leur technique pourrait en outre être utilisée pour concevoir de la piézoélectricité dans des nanotubes et d'autres nanomatériaux avec des applications allant de l'électronique, photonique, et la récupération d'énergie pour la détection chimique et l'acoustique à haute fréquence.

« Nous étudions déjà de nouveaux dispositifs piézoélectriques basés sur d'autres matériaux 2D et de faible dimension en espérant qu'ils pourraient ouvrir de nouvelles possibilités spectaculaires en nanotechnologie, " dit Reed.