Un examen approfondi du transport d’électrons dans le graphène

Le graphène est une seule couche de carbone atomique disposée selon un réseau en nid d’abeille ou un motif hexagonal. Ce nanomatériau est considéré comme un matériau « miracle » en raison de sa mobilité électronique élevée, de sa conductivité thermique, de sa transparence optique, de sa flexibilité, de sa résistance et de sa grande surface spécifique.1

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Graphène : structure et propriétés

Une structure planaire monocouche de graphène avec un réseau en nid d’abeilles se forme lorsque les atomes de carbone partagent des électrons sp2 avec trois atomes de carbone voisins. Une structure de graphène bicouche et tricouche est également présente, basée sur différents modèles d’empilement. La flexibilité et la robustesse des nanoparticules de graphène sont attribuées à leurs liaisons sigma qui se chevauchent avec les atomes de carbone adjacents.2

Le nombre de couches de graphène détermine des propriétés spécifiques. Les graphènes monocouches et bicouches sont des semi-conducteurs à bande interdite nulle en raison de l’association entre la conduction et les bandes de cantonnière aux points de Dirac. Cependant, il faut noter que l’introduction d’un champ électrique peut ouvrir une bande interdite dans le graphène bicouche. Le graphène à quelques couches est composé de 2 à 10 couches d’atomes de carbone et présente une structure métallique avec des couches croissantes.3

Les feuilles de graphène sont empilées de manière cristallographique, ce qui entraîne de nombreuses séquences d’empilement. La séquence d’empilement du réseau en nid d’abeilles détermine la structure de bande et le couplage spin-orbite du film de graphène.4

Le graphène possède de nombreuses propriétés exceptionnelles en raison de ses caractéristiques structurelles. Certaines des propriétés clés du graphène sont discutées ci-dessous.

Optique

Les propriétés optiques du graphène reposent sur sa structure de bande, en particulier les transitions électroniques interbandes. Les propriétés de transmission et de réflectance du graphène dans la région optique dépendent de la température, de la fréquence et de la densité des porteurs. La propriété de transmission du graphène dans le spectre visible s’est avérée indépendante de la fréquence.5 Une étude récente a documenté la réponse optique non linéaire supérieure du graphène dans un champ électromagnétique.6

Électrique

La grande mobilité électronique du graphène, soit 2 × 105 cm2/Vs, en fait un matériau hautement conducteur, même à température ambiante. Le graphène présente un petit chevauchement entre les bandes de conduction et de cantonnière. La dispersion électronique autour du point de Dirac est linéaire et isotrope. L’homogénéité électronique peut être modulée en modifiant la structure du graphène.7

Mécanique

Le graphène présente une rigidité, une élasticité, une résistance et une ténacité exceptionnelles. La résistance à la traction du graphène est de 125 GPa. Une étude a montré que le graphène possède une résistance mécanique environ 100 fois supérieure à celle de l’acier.8

Comprendre les propriétés de transport d’électrons du graphène

Pour construire de nouvelles hétérojonctions de graphène, il est impératif de comprendre ses propriétés de transport d’électrons. Les feuilles de graphène sont composées d’un nombre infini d’anneaux aromatiques qui n’ont aucun écart énergétique entre les bandes de valence et de conduction. Les molécules intermédiaires, comme les dérivés du pérylène, se situent entre ces deux limites extrêmes et présentent de nombreuses propriétés uniques.9

Les particules chargées de graphène sont des quasiparticules chirales qui ont une dispersion linéaire de type Dirac, expliquant leurs propriétés électroniques et de transport. En raison de la relation linéaire entre l’énergie et l’impulsion, les bandes de conduction et de valence se croisent aux points de Dirac aux coins de la zone Brillouin.

Il convient de noter que pour le graphène neutre, le potentiel chimique se situe exactement aux points de Dirac.10 Le potentiel de grille éloigne le potentiel chimique du point de Dirac et modifie la densité de charge du graphène. La dispersion linéaire des électrons et leur accordabilité rendent le graphène plus dynamique que les autres hétérostructures semi-conductrices bidimensionnelles.

Dans des conditions idéales, c’est-à-dire que le graphène est exempt d’impuretés ou de défauts structurels, le libre parcours moyen des électrons est plus long avec une résistivité électrique négligeable. Cette condition entraîne une conductivité balistique ou la conductivité électrique la plus élevée.11 Cependant, un transport d’électrons au point de Dirac entraîne une conductivité minimale, même pour le graphène idéal. Essentiellement, le transport des électrons dans le graphène change qualitativement des structures métalliques aux systèmes suspendus, où se produit la conduction balistique.

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Mécanismes de transport d’électrons dans le graphène

Le transfert d’électrons dans le graphène est largement lié à la réaction chimique qui conduit à la relocalisation des électrons entre le graphène et d’autres structures chimiques. Les réactifs chimiques agissent soit comme donneurs soit comme accepteurs d’électrons.12 Le transfert d’électrons peut impliquer des réactifs chimiques ou des électrodes. Dans le cas du transfert d’électrons basé sur des électrodes, les couches de graphène jouent des rôles variés dans les réactions de transport d’électrons.

Les électrons libres du graphène participent aux réactions chimiques. Ce type de transfert d’électrons est observé dans la fonctionnalisation de l’aryle diazonium et l’oxydation sélective du graphène.13 D’autres mécanismes qui régissent le transfert d’électrons impliquent l’oxydation du graphène à l’aide d’oxygène moléculaire et d’ozone. L’oxydation peut également se produire via une gravure au plasma et une gravure oxydative en phase liquide.

La propriété de transport d’électrons du graphène est également gérée efficacement par la théorie quantique relativiste. La présence de bords dans les nanostructures de graphène, telles que les nanorubans de graphène et les points quantiques de graphène, est associée à des effets de confinement quantique qui se traduisent par des propriétés électroniques et optiques uniques.

Applications du graphène en électronique

Bien que le graphène puisse être utilisé pour développer une nouvelle génération de dispositifs électroniques miniaturisés, son application dans l’industrie des semi-conducteurs est limitée en raison de l’absence de bande interdite. Plusieurs stratégies, telles que le dopage et la fonctionnalisation, ont été utilisées pour ouvrir la bande interdite, améliorant ainsi son applicabilité.

Le graphène est utilisé pour développer divers capteurs électroniques, utilisés pour les applications de surveillance des soins de santé.14 Un capteur de pression flexible de type piézorésistif a été fabriqué à l’aide d’un film de graphène froissé ultra-fin et d’électrodes interdigitales. Ce capteur présentait une sensibilité, une fiabilité et une durabilité supérieures à celles des capteurs au graphène traditionnels. Ce type de capteur de pression pourrait être utilisé en robotique, en diagnostic médical et en électronique automatique.

Les propriétés optoélectroniques et la flexibilité du graphène ont été exploitées pour le développement de produits électroniques portables et portables. Ces appareils pourraient être utilisés pour surveiller les signaux et les maladies du corps humain. Par exemple, un capteur d’électrooculographie (EOG) invisible basé sur le tatouage électronique au graphène (GET) non invasif a été conçu pour évaluer la rétine et la cornée des yeux humains.15

Les propriétés électrophysiologiques du graphène sont exploitées pour l’imagerie cérébrale. En raison de la grande transparence du graphène, celles-ci sont utilisées pour fabriquer une lentille de contact intelligente portable, flexible et conductrice, afin de surveiller les biomarqueurs du glucose contenu dans les larmes et la pression intraoculaire des individus.

Une approche ascendante de la synthèse du graphène

Références et lectures complémentaires

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2024-02-28 12:00:43
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