Des chercheurs de la Wright State University ont aidé à ouvrir la voie à des applications étendues du graphène dans tous les domaines, de l'exploration spatiale aux capteurs tous temps.

La recherche a été menée par Elliott Brown, la chaire Ohio Research Scholars Endowed en physique des capteurs, et Weidong Zhang, chercheur en physique au département de physique. Leurs travaux ont été récemment publiés dans Communication Nature , une revue scientifique qui couvre les sciences naturelles, y compris la physique, chimie et biologie.

Le graphène est le premier matériau bidimensionnel au monde à avoir une épaisseur monoatomique :une seule couche d'atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal (en nid d'abeille). Ses propriétés mécaniques dans le plan en font le matériau le plus résistant jamais testé, pourtant il est très flexible hors du plan. Il conduit efficacement la chaleur et le courant électrique et est presque transparent à la lumière visible.

Les scientifiques ont théorisé sur le graphène pendant des années, mais ce n'est qu'en 2004 que le matériau a été isolé avec succès, par exfoliation à partir de cristaux de graphite, à l'aide de scotch. Ces travaux d'Andre Geim et de Konstantin Novoselov à l'Université de Manchester leur ont valu le prix Nobel de physique en 2010.

"Ce qui a enthousiasmé les gens à propos du graphène, c'est le fait qu'il offrait le potentiel de mobilités des électrons et des trous à température ambiante plus élevées que n'importe quel semi-conducteur connu, " a déclaré Brown. La mobilité est un moyen de caractériser l'accélération des porteurs de charge gratuite et est une mesure importante pour les matériaux utilisés dans l'électronique à l'état solide de toutes sortes.

Des films monoatomiques de graphène sur des substrats de silicium ont été fournis à Wright State par des collaborateurs de l'Université de Californie-Irvine. Brown et Zhang ont ensuite effectué des mesures électromagnétiques précises aux fréquences THz à l'aide de leur instrumentation unique. Ils ont alors réalisé que les données pouvaient être bien expliquées à l'aide d'une méthode courante en génie électrique appelée modélisation des lignes de transmission micro-ondes.

"Nous avons trouvé comment adapter le modèle de ligne de transmission pour décrire l'interaction du rayonnement électromagnétique avec le graphène en tant que matériau bidimensionnel, " a déclaré Brown. "Cette recherche aidera à déplacer le graphène de l'arène de la physique vers un régime d'applications d'ingénierie. Cela signifie que les ingénieurs électriciens travaillant dans l'industrie ou dans les laboratoires de recherche sauront mieux analyser le graphène dans les circuits à haute fréquence et comment il interagit avec le rayonnement."

Brown dit que cela pourrait ouvrir la voie à des avancées technologiques dans des applications telles que la direction du faisceau dans les systèmes radar de navigation à haute résolution à travers la fumée et le brouillard ainsi que les systèmes d'imagerie à ondes millimétriques et THz d'objets dissimulés à travers des vêtements et des conteneurs en plastique.

"Beaucoup de travail a été consacré à l'étude de ces applications du graphène, mais une meilleure ingénierie est nécessaire pour leur succès, " il a dit.