Des téléphones portables qui se plient, nanodispositifs auto-alimentés, La technologie nouvelle et améliorée des cellules solaires et les fenêtres qui produisent de l'électricité ne sont que quelques-uns des produits potentiels de l'union des semi-conducteurs et du graphène.

Les semi-conducteurs cultivés sur du graphène à l'Université norvégienne des sciences et de la technologie (NTNU) pourraient être la percée de recherche la plus importante de 2012 en Norvège. Au centre des efforts de recherche se trouvent le professeur Helge Weman, Le professeur Bjørn-Ove Fimland et le boursier post-doctoral Dong Chul Kim. L'équipe travaille maintenant à traduire les résultats de sa recherche fondamentale en un prototype initial.

Juste un atome d'épaisseur

Dans les années 1960, les chercheurs ont imaginé que le graphite (carbone pur) pourrait être découpé en couches mesurant un seul atome d'épaisseur, ce qui donnerait le matériau connu sous le nom de graphène.

Dans les années 1990, les chercheurs ont réussi à créer une couche aussi fine que 100 atomes, mais il n'y a eu aucun progrès après cela jusqu'en 2004, quand Andre Geim, d'origine russe, a attrapé un dévidoir de ruban adhésif sur son bureau à l'Université de Manchester, a pressé un peu de ruban adhésif sur une fine couche de graphite et l'a décollé. Lorsqu'il a examiné la bande au microscope, il a découvert une couche d'un seul atome de carbone d'épaisseur. Le graphène est né !

En 2010, Dr Geim et son collègue, Constantin Novoselov, ont reçu conjointement le prix Nobel de physique pour leurs travaux visant à démontrer les propriétés uniques du graphène.

En tête du peloton à NTNU

Six mois avant que le Dr Geim et le Dr Novoselov n'arrivent à Stockholm pour recevoir leur prix, et avant que le graphène ne devienne un élément d'intérêt, Le post-doctorant sud-coréen Dong Chul Kim à NTNU avait suggéré aux professeurs Helge Weman et Bjørn-Ove Fimland du Département d'électronique et de télécommunications d'examiner de plus près précisément ce matériel. La suggestion est venue peu de temps après qu'un groupe de recherche de leur département ait réussi à faire croître des nanofils semi-conducteurs en arséniure de gallium (GaAs) sur des substrats de silicium. Cela a conduit le Dr Weman à se demander s'il serait possible de faire pousser des nanofils semi-conducteurs directement sur du graphène à la place.

L'expertise collective du professeur Weman, Le professeur Fimland et le Dr Kim se sont avérés être une combinaison fructueuse. Les chercheurs ont rapidement réalisé leur première percée, en septembre 2010, et à l'été 2012, ils ont réussi à placer des nanofils semi-conducteurs sur une base d'un atome d'épaisseur. Ces semi-conducteurs actifs atteignent normalement un micron (un millionième de mètre) d'épaisseur.

Le silicium deviendra-t-il obsolète ?

Le graphène est certainement le sujet le plus brûlant en ce moment parmi les chercheurs en nanomatériaux. Le matériau en carbone pur est de loin le plus fin et le plus résistant qui existe. Il est 200 fois plus résistant que l'acier, conduit l'électricité 100 fois plus vite que le silicium et est supérieur à tout autre matériau pour conduire la chaleur. il est impénétrable, mais souple et transparent à la fois. Et la production à grande échelle et peu coûteuse de graphène devient maintenant une réalité.

Maintenant, l'électronique et les cellules solaires sont placées sur des substrats de silicium épais. Mais le silicium a des limites claires, y compris la taille. Les grandes entreprises technologiques ont du mal à produire des produits à base de silicium plus petits que ceux actuellement sur le marché. Un autre défi avec l'utilisation du silicium est que l'électronique à base de silicium génère beaucoup de chaleur. Beaucoup de gens considèrent le graphène comme le candidat de choix pour remplacer le silicium.

De grandes sociétés multinationales telles qu'IBM et Samsung ont consacré beaucoup d'efforts à la recherche sur les semi-conducteurs et le graphène. Mais la véritable percée dans la croissance des semi-conducteurs sur le graphène a en fait eu lieu à NTNU à Trondheim.

Les découvertes de ces chercheurs de Trondheim peuvent être utilisées pour fabriquer de l'électronique et des cellules solaires plusieurs centaines de fois plus minces que les modèles actuels. Cela permettra de réaliser une électronique à la fois souple et transparente, en plus d'être moins cher et plus économe en énergie.

Cellules solaires et LED plus efficaces

Il ne faudra probablement pas longtemps avant que de simples produits à base de graphène commencent à apparaître sur le marché. Certains d'entre eux seront basés sur la technologie des semi-conducteurs.

Les semi-conducteurs sont un composant principal de presque toute l'électronique moderne. Sans eux, il ne serait pas possible d'avoir des ordinateurs, smartphone, cellules solaires, Lumières LED ou appareils utilisant des lasers, c'est-à-dire tout, des imprimantes aux communications par fibre. Tous ces éléments peuvent être réduits et améliorés en utilisant du graphène. Le graphène peut à la fois supplanter le substrat semi-conducteur et servir d'électrode transparente pour une cellule solaire à nanofils pliable.

« La technologie des cellules solaires et des LED sera les premiers domaines pour voir de nouveaux produits utilisant des semi-conducteurs à base de graphène, ", estime le Dr Weman.

L'énergie fossile sous-évaluée est le principal contributeur au réchauffement climatique. La lumière du soleil est une source alternative au potentiel énorme, mais l'énergie solaire devra devenir moins chère et plus efficace. Les nanofils semi-conducteurs à base de graphène pourraient enfin faire pencher la balance en faveur de l'énergie solaire.

"Si des nanofils semi-conducteurs cultivés sur du graphène sont utilisés dans des cellules solaires, la même quantité de lumière solaire peut être convertie en énergie en utilisant un dixième du volume de matériaux utilisés dans les cellules solaires à couche mince. Et cela signifie que nous avons réduit encore plus de matériau en faisant croître les semi-conducteurs sur du graphène plutôt que sur un substrat semi-conducteur épais. De nouvelles recherches montrent également que le graphène possède des propriétés uniques supplémentaires qui améliorent l'efficacité d'une cellule solaire, " explique le Dr Weman.

Les ampoules LED sont supérieures en termes d'efficacité énergétique, mais ont été plus chers à produire en raison de substrats semi-conducteurs coûteux. Les nanofils semi-conducteurs sur graphène permettront de fournir au monde des ampoules LED beaucoup moins chères et beaucoup plus efficaces, tout en étant plus souples et pesant moins que les ampoules actuelles.

L'industrialisation à l'horizon

Les travaux sur le graphène à NTNU ont attiré l'attention de nombreuses entreprises internationales intéressées à collaborer avec les chercheurs basés à Trondheim et leur entreprise, CrayoNano. Mais les requêtes industrielles potentielles jusqu'à présent sont venues uniquement d'Asie et des États-Unis. Les acteurs norvégiens et européens n'ont pas encore manifesté d'intérêt.

« Nous sommes des pionniers dans la mesure où nous utilisons le graphène pour autre chose que la recherche fondamentale. Nous aurons peut-être déjà notre premier prototype en place d'ici fin 2013. mais nous ne souhaitons pas encore révéler ce que c'est, " dit le Dr Weman.

« Le domaine sur lequel nous travaillons – l'utilisation du graphène en remplacement du silicium et d'autres substrats semi-conducteurs dans l'électronique et les cellules solaires – offre de nombreuses nouvelles opportunités. Mais le potentiel est tout aussi important pour les applications utilisant le graphène dans des domaines autres que l'électronique, comme dans le secteur médical. Le graphène peut être utilisé dans le corps sans causer de dommages, " explique le Dr Weman.

« Dans un monde où l'eau potable se fait rare, L'utilisation de filtres en graphène modifié à l'oxygène pour purifier l'eau est une autre application intéressante. C'est une toute nouvelle façon de transformer l'eau de mer en eau douce."

Dans tous les cas, des activités de recherche et de développement seront nécessaires pendant de nombreuses années. Le Dr Weman compare l'état actuel de la recherche sur le graphène à l'état du silicium au début des années 1960.