De nouvelles recherches révèlent pourquoi le graphène "supermatériel" n'a pas transformé l'électronique comme promis, et montre comment doubler ses performances et enfin exploiter son extraordinaire potentiel.

Le graphène est le matériau le plus résistant jamais testé. C'est aussi flexible, transparent et conduit la chaleur et l'électricité 10 fois mieux que le cuivre.

Après que la recherche sur le graphène a remporté le prix Nobel de physique en 2010, il a été salué comme un matériau transformateur pour l'électronique flexible, puces informatiques et panneaux solaires plus puissants, filtres à eau et biocapteurs. Mais les performances ont été mitigées et l'adoption par l'industrie est lente.

Maintenant, une étude publiée dans Communication Nature identifie la contamination au silicium comme la cause première des résultats décevants et détaille comment produire des performances plus élevées, graphène pur.

L'équipe de l'Université RMIT dirigée par le Dr Dorna Esrafilzadeh et le Dr Rouhollah Ali Jalili a inspecté des échantillons de graphène disponibles dans le commerce, atome par atome, avec un microscope électronique à transition à balayage de pointe.

"Nous avons trouvé des niveaux élevés de contamination au silicium dans le graphène disponible dans le commerce, avec des impacts massifs sur les performances du matériau, " a déclaré Esrafilzadeh.

Les tests ont montré que le silicium présent dans le graphite naturel, la matière première utilisée pour fabriquer le graphène, n'était pas complètement supprimé lors du traitement.

"Nous pensons que cette contamination est au cœur de nombreux rapports apparemment incohérents sur les propriétés du graphène et peut-être de nombreux autres matériaux bidimensionnels (2-D) atomiquement minces, " a déclaré Esrafilzadeh.

"Le graphène a été présenté comme étant transformateur, mais n'a jusqu'à présent pas eu d'impact commercial significatif, tout comme certains nanomatériaux 2D similaires. Maintenant, nous savons pourquoi il n'a pas fonctionné comme promis, et ce qu'il faut faire pour exploiter tout son potentiel."

Les tests ont non seulement identifié ces impuretés, mais ont également démontré l'influence majeure qu'elles ont sur les performances, avec des matériaux contaminés dont les performances sont jusqu'à 50 % pires lorsqu'elles sont testées en tant qu'électrodes.

« Ce niveau d'incohérence a peut-être entravé l'émergence d'applications industrielles majeures pour les systèmes à base de graphène. Mais il empêche également le développement de cadres réglementaires régissant la mise en œuvre de ces nanomatériaux en couches, qui sont destinés à devenir l'épine dorsale des appareils de nouvelle génération, " elle a dit.

La propriété bidimensionnelle de la feuille de graphène, qui n'a qu'un atome d'épaisseur, le rend idéal pour le stockage d'électricité et les nouvelles technologies de capteurs qui reposent sur une grande surface.

Cette étude révèle comment cette propriété 2-D est également le talon d'Achille du graphène, en le rendant si vulnérable à la contamination de surface, et souligne à quel point le graphite de haute pureté est important pour la production de graphène plus pur.

En utilisant du graphène pur, les chercheurs ont démontré comment le matériau fonctionnait extraordinairement bien lorsqu'il était utilisé pour construire un supercondensateur, une sorte de super batterie.

Une fois testé, la capacité de l'appareil à contenir une charge électrique était énorme. En réalité, c'était la plus grande capacité enregistrée jusqu'à présent pour le graphène et au vu de la capacité théorique prévue du matériau.

En collaboration avec le Centre de Matériaux Avancés et de Chimie Industrielle du RMIT, l'équipe a ensuite utilisé du graphène pur pour construire un capteur d'humidité polyvalent avec la sensibilité la plus élevée et la limite de détection la plus basse jamais signalée.

Ces découvertes constituent une étape essentielle pour la compréhension complète des matériaux bidimensionnels atomiquement minces et leur intégration réussie dans des dispositifs commerciaux haute performance.

"Nous espérons que cette recherche aidera à libérer le potentiel passionnant de ces matériaux."