L'utilisation du graphène dans l'électronique, vers un nouveau monde ?

Au cours des 20 dernières années, peu de matériaux ont suscité autant un tel engouement dans les domaines scientifiques et industriels que le graphène. Au début du XXIe siècle, bien que les scientifiques connaissaient l’existence de ce cristal bidimensionnel d’une épaisseur d’un atome, personne n’avait trouvé comment l’extraire du graphite. En octobre 2004, deux chercheurs de l'université de Manchester, les professeurs Sir Andre Geim et Sir Konstantin Novoselov, ont finalement réussi à percer le mystère en publiant un article intitulé « The electric field effect in atomically thin carbon films » (L'effet de champ électrique dans les films de carbone atomiquement minces). Leurs travaux leur ont valu le prix Nobel de physique en 2010. 

Depuis lors, l'université de Manchester est à la pointe de la recherche et du développement dans le domaine du graphène. Des milliers d'articles ont été publiés et de nombreux produits et applications ont été proposés, allant des superordinateurs et de l'électronique ultrarapide aux matériaux extra-résistants. Bien que certaines des possibilités les plus futuristes n'aient pas encore vu le jour, il ne fait aucun doute que l'influence du graphène dans le secteur des semi-conducteurs est destinée à devenir de plus en plus importante, avec des industries cherchant à développer des dispositifs électroniques toujours plus rapides, efficaces et compacts. Aujourd’hui, plus de 50 millions de produits améliorés grâce au graphène sont déjà disponibles sur le marché, couvrant des domaines variés tels que les voitures, les filtres à eau, les panneaux solaires, les avions, les satellites et les chaussures de course.

Mais qu’est-ce qui rend le graphène si exceptionnel et en quoi est-il une alternative supérieure au silicium dans le domaine des semi-conducteurs ?

Le matériau du futur

En plus d'être le matériau le plus fin au monde, le graphène se distingue par sa mobilité phénoménale des électrons, environ 500 fois supérieure à celle du silicium. Comme les électrons peuvent se déplacer rapidement à travers son réseau cristallin en nid d'abeille, il permet d'accélérer les performances des appareils et d'améliorer la conductivité électrique.

En ce qui concerne les semi-conducteurs, outre les progrès potentiels en matière de vitesse des appareils, l'utilisation du graphène (et d'autres matériaux 2D) présente également un potentiel pour l'électronique flexible, en raison de sa nature atomiquement fine, ainsi que de sa grande stabilité mécanique et de sa flexibilité. Le graphène est également un très bon conducteur thermique, ce qui peut s'avérer utile pour miniaturiser davantage les structures des appareils.

Le professeur Geim est actuellement basé à l'Institut national du graphène (NGI) de l'université de Manchester. Créé pour stimuler la recherche de pointe sur le graphène et les matériaux 2D apparentés, le NGI est devenu une plaque tournante mondiale des innovations révolutionnaires. Parallèlement au NGI, le Graphene Engineering Innovation Centre (GEIC) joue un rôle essentiel en reliant la recherche universitaire et les applications industrielles avec la collaboration de plus de 400 entreprises dans le monde.

Depuis sa création, le GEIC a soutenu le développement de plus de 500 projets améliorés grâce au graphène, allant des composites avancés aux capteurs de nouvelle génération. Ces innovations résultent de partenariats stratégiques visant à traduire les propriétés extraordinaires du graphène en solutions concrètes. Ensemble, le NGI et le GEIC ont contribué au lancement de plus de 60 entreprises dérivées et ont obtenu des investissements importants, consolidant ainsi la réputation de Manchester en tant que « ville du graphène ».

Andrew Strudwick, gestionnaire d'application pour le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et l'impression au GEIC, explique dans un entretien avec Evertiq comment son équipe soutient ces avancées :

« Au GEIC, nous fournissons aux entreprises les outils, l'expertise et l'environnement de collaboration nécessaires pour explorer le potentiel du graphène. Notre équipe travaille en étroite collaboration avec des partenaires de l'industrie pour prototyper et développer des technologies de nouvelle génération, afin que le graphène puisse facilement passer du laboratoire vers des applications commerciales à fort impact. Cette approche contribue à façonner l'avenir de l'électronique, de l'énergie et de la science des matériaux ».

Soutien de l'UE

En Suède, le Graphene Flagship a été créé avec des objectifs similaires à ceux du GEIC, dont la ligne pilote 2D, et a permis de démontrer la valeur de ce matériau unique. Cette initiative de recherche scientifique de l'UE a été mise en place en 2013, avec un budget d'environ 1 milliard d'euros, et collabore avec plus de 100 entreprises et partenaires universitaires dans des domaines allant de l'automobile et de l'aviation à l'électronique, l'énergie, les composites et la biomédecine.

« Le projet repose sur les bases des projets Graphene Flagship Core 3 et 2D-EPL. 

Dans le cadre du projet 2D-EPL, le consortium s'est concentré sur deux classes de matériaux, le graphène et le TMDC (MoS2/WS2). L'utilisation des outils disponibles au sein du consortium et des nouveaux équipements a permis aux modules de croissance et de transfert d'évoluer de manière significative.

Avec les nouveaux investissements prévus dans le prochain projet 2D-PL, l'objectif est de poursuivre la maturation des processus de fabrication », explique Inge Asselberghs, Directrice du 2D-EPL et responsable scientifique et technologique de Graphene Flagship, à Evertiq ».

L'organisation aurait lancé la carrière de près de 1 000 doctorants et postdoctorants, et créé 20 entreprises dérivées, qui ont levé au total plus de 170 millions d'euros de capital-risque, déposé plus de 80 brevets et mis plus de 100 produits sur le marché. Selon un rapport de l'institut de recherche WifOR, le programme phare sur le graphène aura contribué au PIB à hauteur de 3 800 millions d'euros et créé 38 400 emplois dans les 27 pays de l'UE entre 2014 et 2030. 

Un potentiel important

En ce qui concerne les semi-conducteurs, les principales utilisations du graphène à ce jour concernent les capteurs, principalement pour la détection de gaz ou la biosurveillance. Au-delà des capteurs et des transistors, la conductivité électrique élevée du matériau et sa résistance à l'électromigration en font un matériau idéal pour les interconnexions de circuits, réduisant les pertes d'énergie et améliorant les performances. Des smartphones pliables aux technologies portables, la flexibilité et la résistance du graphène ouvrent de nouvelles perspectives pour l'électronique grand public.

Une autre application notable est la photonique. L’interaction du graphène avec la lumière stimule l’innovation dans les photodétecteurs, les modulateurs et d’autres dispositifs photoniques, essentiels pour les réseaux de communication de nouvelle génération.

Le défi de la bande interdite

Le « matériau miracle » présente des défis, le principal étant ce qu'on appelle la « bande interdite ».

Les bandes interdites sont essentiellement des barrières énergétiques qui régulent le mouvement des électrons au sein des structures cristallines en fonction de leurs symétries. Dans le cas du silicium, cette barrière énergétique doit être surmontée en appliquant une tension sur le transistor pour que les électrons puissent circuler. Le dispositif est donc « allumé » lorsque les électrons circulent et « éteint » lorsqu'ils ne circulent pas, un comportement typique d'un semi-conducteur. 

Le graphène se comporte comme un semi-métal plutôt que comme un semi-conducteur. La barrière énergétique qui empêche les électrons de se déplacer en l'absence de tension externe n'est pas présente. Il n'est donc pas possible d'éteindre complètement le dispositif, ce qui entraîne des problèmes de consommation d'énergie.

De nombreux travaux ont été réalisés pour trouver une solution à ce problème au fil des ans, notamment en confinant le graphène dans des nanorubans et en utilisant d'autres géométries de dispositifs. Une autre avancée potentiellement importante pourrait provenir de travaux récents menés à l'université de Tianjin, où des chercheurs ont montré une façon de former un matériau en graphène sur un substrat en carbure de silicium qui utilise l'interaction à l'interface des deux matériaux pour générer une bande interdite dans le film résultant. 

Un autre défi majeur reste la scalabilité et l’intégration du graphène dans les processus de fabrication existants des semi-conducteurs. Des progrès considérables ont été réalisés dans ce domaine, notamment grâce à des initiatives comme la 2D-Pilot Line, qui vise à développer des technologies basées sur le graphène pour des applications industrielles en offrant des services de prototypage pour faire le lien entre la recherche et l'application. 

Des entreprises comme Paragraf et Graphenea font partie des nombreuses sociétés qui produisent des transistors et des capteurs à base de graphène pour des essais commerciaux, mais le chemin à parcourir dans ce domaine est encore long, selon M. Asselberghs de Graphene Flagship.

« L'ingénierie de la bande interdite du graphène est un défi et nécessite un contrôle précis des processus. Bien que des exemples prometteurs soient publiés dans la littérature, il est essentiel d'accorder une attention particulière à l'évolutivité et à la contrôlabilité », déclare-t-elle. 

Un engouement justifié ?

Il y a 20 ans, de nombreuses promesses ont été faites sur le potentiel du graphène, certaines plus réalistes que d’autres. Bien qu’il reste des obstacles à surmonter, Inge Asselberghs reste confiante dans les possibilités futures explique-t-elle à Evertiq :

« Au début du programme phare sur le graphène, les gens étaient même sceptiques quant à la possibilité de cultiver du graphène qualitatif de manière fiable à l'échelle du cm2. Aujourd'hui, nous avons déjà bien progressé. Les investissements réalisés pour le traitement au niveau de la tranche et la fabrication des démonstrateurs pertinents sont les fondements de l'évaluation des capteurs, de la photonique et des dispositifs électroniques.

Dans le domaine des semi-conducteurs, qui repousse à lui seul les limites de la performance et de la miniaturisation, le graphène s'impose comme un matériau clé qui stimule l'innovation et qui offre de nombreuses raisons d'être optimiste ».

Peut-être que, comme le proclament de nombreux chercheurs, « la révolution du graphène ne fait que commencer ».