Des chimistes du Graphene Flagship en Europe examinent le potentiel des matériaux composites graphène-organique dans l'électronique. Les chercheurs montrent comment les semi-conducteurs organiques peuvent être utilisés pour mieux traiter le graphène, et d'ajuster ses propriétés pour des applications particulières.

Le plus connu de tous les matériaux bidimensionnels, le graphène a des propriétés qui le rendent attractif pour toute une gamme de mécanique, applications optiques et électroniques. Le graphène est un défi à produire à l'échelle industrielle, cependant, et il peut être difficile d'adapter ses propriétés à des fonctions spécifiques. Dans l'espoir de résoudre ces deux problèmes simultanément, l'intérêt de la recherche se tourne vers l'interaction du graphène avec des semi-conducteurs organiques sur mesure.

Les chimistes s'intéressent depuis longtemps aux molécules organiques pour les applications des nanotechnologies. Des molécules organiques plus petites peuvent permettre l'assemblage moléculaire de nanomatériaux de carbone dans des architectures hautement ordonnées telles que les nano-fibres, cristaux et monocouches. Le squelette des atomes de carbone dans les polymères, d'autre part, peut conduire à des assemblages à grande échelle plus désordonnés, mais les formes allongées et flexibles des polymères permettent une solubilité élevée et un transport efficace de la charge électrique.

Le traitement évolutif et la fonctionnalisation du graphène font l'objet d'un article de fond rédigé par trois scientifiques phares du graphène écrivant dans le périodique de la Royal Society of Chemistry, les Journal de la chimie des matériaux C . The Graphene Flagship est un consortium international de partenaires académiques et industriels, financé en partie par la Commission européenne, qui se concentre sur le développement du graphène et des matériaux 2D associés.

Andréa Schlierf, Paolo Samorì et Vincenzo Palermo examinent dans leur revue un certain nombre de polymères commerciaux, dont les propriétés mécaniques et électriques pourraient être améliorées par l'ajout de graphène. Les auteurs considèrent également le graphène comme un substrat pour des applications biomédicales, et l'utilisation de semi-conducteurs organiques pour ouvrir une bande interdite électronique dans le graphène. L'absence de bande interdite dans la forme pure de ce matériau hautement conducteur est un enjeu majeur qui entrave son exploitation en électronique.

Déposez de petites molécules organiques sur une surface plane de carbone comme le graphène, et on peut moduler cette surface par le processus chimique externe non dirigé connu sous le nom d'auto-assemblage. Il existe de nombreuses classes de molécules qui peuvent être utilisées à cette fin, allant des simples alcanes aux plus gros hydrocarbures aromatiques. L'auto-assemblage est dans tous les cas conduit par une interaction complexe entre les interactions intermoléculaires et molécule-substrat.

Les résultats expérimentaux montrent que la nucléation, l'orientation et l'emballage des semi-conducteurs organiques sur le graphène sont assez différents de ceux cultivés sur des substrats conventionnels tels que le silicium et le graphite. L'ajout de chaînes latérales chimiques au squelette des molécules organiques peut également exposer des fonctionnalités qui fonctionnent en synergie ou en opposition avec l'interaction de base entre les molécules adsorbées et le graphène, conduisant à des voies d'auto-assemblage plus complexes.

Enduire du graphène de molécules organiques sous vide est une chose, mais en termes de fonctionnalisation et de coût, Les systèmes hybrides graphène-organique soluble présentent des avantages évidents par rapport au graphène produit par dépôt chimique en phase vapeur ou par croissance épitaxiale. Les suspensions organiques de graphène peuvent être traitées avec des techniques de dépôt sur de grandes surfaces telles que l'impression à jet d'encre, avec le graphène produit par exfoliation en phase liquide dans un solvant organique. C'est l'approche de l'évier de cuisine pour la fabrication de graphène, et le processus est bon marché, efficace et hautement évolutif.

Un exemple de cette approche à base de liquide pour l'exfoliation au graphène est fourni dans une autre publication de recherche récente à laquelle les trois auteurs de la revue ont contribué. Dans un article publié dans la revue 2D Materials de l'Institute of Physics, Schlierf et ses collègues décrivent l'exfoliation, traitement et inclusion dans des composites polymères de nanoplaquettes de graphène à l'aide de sel de sodium d'acide sulfonique de bleu d'indanthrone, un colorant industriel commun connu sous le nom d'IBS pour faire court.

Comme il est courant avec les nanomatériaux composites en général, l'adsorption de molécules organiques sur le graphène peut avoir un effet significatif sur les propriétés électroniques de ce dernier. L'influence de ce dopage matériel est confirmée par des mesures spectroscopiques, et inclut la division de la bande G dans les spectres Raman.

Un autre effet notable des interactions graphène-organique est l'extinction de la fluorescence dans les colorants électroluminescents par transfert de charge ou d'énergie. Dans ce cas, l'interaction est associée à des champs électromagnétiques fortement renforcés en raison de la nature de puits d'énergie du graphène. C'est cette qualité du graphène qui en fait un matériau prometteur pour la photo-détection, applications nano-photoniques et photovoltaïques.

L'adsorption de semi-conducteurs organiques peut également conférer une fonction magnétique au graphène, complétant son électronique, propriétés mécaniques et optiques. Cela pourrait conduire à l'application de matériaux hybrides graphène-organique en spintronique, avec des fonctionnalités magnétiques qui modifient la polarisation de spin des courants électriques circulant dans le graphène.

A part la spintronique, le potentiel du graphène en électronique repose en grande partie sur son application dans les circuits intégrés, et par exemple dans les composants dits transistors à effet de champ (FET). Le problème avec le graphène, au moins dans sa forme primitive, est que la mobilité élevée des porteurs de charge est compensée par un très mauvais rapport de commutation de courant marche-arrêt. Le dopage du graphène avec d'autres matériaux peut améliorer cela dans une certaine mesure, mais il y a une autre façon d'aborder le problème. Le graphène pourrait être incorporé dans les FET organiques, entraînant une augmentation des mobilités des électrons, et des rapports de commutation comparables ou supérieurs à ceux observés dans les FET organiques sans graphène.

L'accent est mis ici sur le graphène, mais le graphène n'est qu'un des centaines de matériaux bidimensionnels qui intéressent les chercheurs et l'industrie phares. D'autres matériaux stratifiés remarquables comprennent le nitrure de bore et le bisulfure de molybdène (MoS2), dont les qualités semi-conductrices leur confèrent un avantage sur le graphène pur dans certaines applications. De tels matériaux 2d pourraient par exemple être utilisés dans des isolants de grille de transistor, composants photosensibles, comme matériaux actifs pour les FET, ou dans les électrodes. Un composite polymère de MoS2 exfolié en phase liquide et d'oxyde de polyéthylène a récemment été démontré comme matériau d'anode pour les batteries lithium-ion. Le composite affiche des capacités de stockage de charge élevées, et la réversibilité à long terme.

Contrairement au silicium, le graphène est souvent évoqué comme le matériau électronique d'un « ère post-silicium ». La réalité est plus nuancée que cette image idéalisée, mais reste, le graphène peut à certains égards surpasser le silicium. Il ouvre également de nouvelles possibilités, surtout lorsqu'il est utilisé en combinaison avec d'autres matériaux.

"Un avantage majeur du graphène par rapport au silicium est qu'il est à base de carbone, qui constitue la base de toutes les matières organiques", dit Vincenzo Palerme, qui dirige l'unité des matériaux organiques fonctionnels à l'Institut de synthèse organique et de photoréactivité du Conseil national italien de la recherche à Bologne. "Cette affinité du graphène avec les composés organiques permet une intégration transparente du graphène dans des matériaux composites pour l'électronique flexible, applications de détection et biomédicales. Le graphène peut fortement interagir avec et ajuster la morphologie de la plupart des molécules organiques, et il le fait de manière plus contrôlée que ce n'est le cas avec d'autres matériaux tels que le silicium ou les métaux."

Comme Palerme et ses co-auteurs le déclarent dans la conclusion de leur revue, la possibilité de combiner des matériaux à base de carbone aux propriétés très différentes devrait permettre l'intégration de l'électronique à grande vitesse, électronique organique et science des matériaux composites.