Des électrodes de graphène pour des dispositifs à cristaux liquides
Des chercheurs de la Faculté de Physique et d’Astronomie et de la Faculté d’Informatique de l’Université de Manchester, en collaboration avec un collègue de l’Institut des Technologies Microélectroniques de Chernogolovka (Russie), ont utilisé des couches minces de graphène pour remplacer les classiques électrodes d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO pour Indium Tin Oxide, In
- Le graphène s’apparente à un grillage à l’échelle atomique composé d’atomes de carbone
- Crédit : Dr Thomas Szkopek, McGill University
Les conducteurs transparents sont une partie essentielle de nombreux dispositifs optiques. Traditionnellement, des couches minces métalliques ou à base d’oxyde métallique sont utilisées mais de nouveaux matériaux sont recherchés : en effet, les couches minces métalliques nécessitent l’ajout d’une couche anti-reflet et les métaux utilisés (souvent nobles ou rares) sont onéreux. Quant à l’indium, largement utilisé dans les couches à base d’oxyde métallique, son prix ne cesse de croître tandis que ses réserves s’épuisent. De plus, le spectre d’absorption optique d’une couche d’ITO n’est pas uniforme dans le domaine visible du spectre solaire et l’on sait que des atomes d’oxygène ou d’indium peuvent être injectés dans le milieu actif du dispositif et en perturber les propriétés. La découverte expérimentale du graphène a donc apporté une alternative à l’omniprésent ITO.
Un dispositif à cristaux liquides avec électrode en graphène
L’équipe britannique a commencé par préparer des écailles de graphène par clivage micromécanique de graphite. Les monocouches de graphène ont ensuite été identifiées par microscopie optique puis par microscopie Raman. De fins contacts à base de chrome/or ont été déposés autour des écailles, de telle sorte que le cristal de graphène couvre une fenêtre dans la métallisation. Les chercheurs ont alors fabriqué une cellule à cristal liquide nématique non tordu en utilisant une électrode de graphène et une électrode d’ITO (ils précisent que la technologie pourrait être appliquée de façon similaire avec tous les types de cristaux liquides nématiques mais aussi avec tous les dispositifs qui utilisent des cristaux ferroélectriques ou des phases smectiques).
- Structure du dispositif à cristaux liquides fabriqué par l’équipe de Manchester
Les tests effectués sur la cellule ont donné les résultats suivants :
- le contraste sur toute la surface de l’électrode change uniformément lorsqu’une différence de potentiel est appliquée : ceci suggère que le champ électrique est appliqué uniformément sur toute la surface du graphène et que le graphène n’a pas d’effet négatif sur l’alignement du cristal liquide ;
- le facteur de contraste est très bon ;
- aucune modification n’est apparue dans la transmission, avec seulement des effets de bord dus à l’épaisseur finie de la cellule ;
- chaque couche de graphène absorbe 2 % dans le spectre visible, soit bien moins que l’ITO généralement utilisé (15 à 18 %). Les chercheurs expliquent cette transmittance élevée par la faible densité électronique des états du graphène ;
- la résistance carrée du graphène est de l’ordre de 6 kOhms mais elle peut être réduite à 50 Ohms par dopage chimique, voire même par dopage non intentionnel (par exemple par les molécules d’eau adsorbées). L’introduction d’une couche d’alcool de polyvinyle produit un dopage de type n de l’ordre de 3×10e12 cm-2. Dans le cas précis de la cellule fabriquée par l’équipe de Manchester, la résistance carrée est tombée à 400 Ohms. Les scientifiques britanniques estiment d’ailleurs que des résistances carrées du même ordre ou même inférieures pourraient être obtenues par différents moyens : en augmentant le nombre de couches, en dopant intentionnellement le graphène ou en utilisant des échantillons présentant une mobilité de porteurs plus élevée ;
- aucun ion n’est injecté par l’électrode de graphène dans le milieu actif.
Vers une production à grande échelle ?
A la vue de ces bons résultats, l’équipe de Manchester rappelle toutefois que la faisabilité d’une production en masse d’une électrode de graphène reste fondamentale si l’on envisage des applications réalistes. Des méthodes de production à plus grande échelle que le clivage micromécanique ont déjà été démontrées, notamment par une équipe de l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères [1] : des couches minces conductrices de grande surface ont été fabriquées par l’exfoliation chimique de l’oxyde de graphite suivie de la réduction en graphène. Toutefois, cette technique n’aurait pas encore produit des couches minces présentant d’excellentes propriétés de conduction électrique. Les chercheurs britanniques proposent alors une méthode alternative qui consiste à préparer une suspension de graphène par exfoliation chimique directe du graphite (et non de l’oxyde de graphite) puis à appliquer cette suspension sur une surface de verre par pulvérisation ou par centrifugation. Pratiquement, les scientifiques ont exfolié des cristaux de graphite naturel par sonification dans du diméthylformamide pendant trois heures. La suspension obtenue contient de fines lamelles graphitiques avec une large proportion d’écailles de graphène monocouche en suspension. Après centrifugation pour éliminer les écailles épaisses, le reste de la suspension a été déposé par pulvérisation sur un substrat de verre préchauffé pour obtenir des couches minces d’une épaisseur d’environ 1,5 nm sur des surfaces de l’ordre du centimètre. Ces couches ont ensuite été recuites pendant deux heures à 250 °C dans un mélange argon (90 %)/hydrogène (10 %). La transparence des couches ainsi obtenues est d’environ 90 %.
La résistance carrée mesurée à la température ambiante est de l’ordre de 5 kOhms mais les scientifiques estiment qu’il serait possible de l’abaisser en augmentant l’épaisseur de la couche. Un meilleur nettoyage et une meilleure procédure de recuit devraient également contribuer à améliorer la conductivité électrique.
En conclusion, les chercheurs évoquent d’autres techniques pour produire en masse ce qui pourrait constituer un excellent choix d’électrodes transparentes : par exemple, ils citent la croissance épitaxique du graphène sur un substrat métallique, suivie du transfert de la couche sur un substrat transparent. Cette technique serait capable de produire des couches de graphène continues, d’une épaisseur inférieure à cinq monocouches.
D’autres applications du graphène
La même équipe de Manchester a par ailleurs fabriqué un transistor de très petite taille (épais d’un atome et large de 10 atomes) à partir de graphène. Le matériau est également évoqué pour des utilisations dans des panneaux solaires, des revêtements transparents pour le verre plat et pour des capteurs.
Sources :
- "Graphene-Based Liquid Crystal Device", P. Blake and al., Nano Lett., 2008, 10.1021/nl080649i
- Université de Manchester, 30/04/08
- BBCNews, 17/04/08
Rédactrice : Dr Anne Prost
[1] "Transparent, Conductive Graphene Electrodes for Dye-Sensitized Solar Cells", Wang, X. ; Zhi, L. ; Mullen, K. Nano Lett. 2008, 8, 323