Des chercheurs de l'université Rice démontrent que les nano-plis de graphène peuvent modifier le comportement de l'électricité
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Des chercheurs de l'université Rice ont démontré que de minuscules plis dans le graphène peuvent modifier les propriétés électriques de ce matériau, apportant ainsi la preuve de l'existence de la flexoélectricité, un phénomène par lequel un matériau génère une charge électrique lorsqu'il se courbe de manière inégale. Ces résultats ont été publiés dans la revue *Advanced Materials*.
Des chercheurs de l'université Rice ont démontré que de minuscules plis dans le graphène peuvent modifier les propriétés électriques de ce matériau.
Image courtesy of Ajayan lab/Rice University
Cette découverte suggère que les scientifiques pourraient être en mesure de contrôler l’électricité dans des matériaux d’une épaisseur atomique en modifiant leur forme, plutôt qu’en y ajoutant de nouveaux produits chimiques ou matériaux. Cette approche pourrait un jour déboucher sur la mise au point de capteurs plus sensibles et de dispositifs électroniques ultra-minces.
« Nos travaux montrent que même un pli ordinaire peut devenir une caractéristique électronique extraordinaire lorsqu’on l’observe à l’échelle atomique », a déclaré Pulickel Ajayan, titulaire de la chaire Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson d’ingénierie et co-auteur correspondant de l’étude. « En démontrant que la géométrie à elle seule peut modifier le comportement électrique du graphène, nous ouvrons une nouvelle voie pour la conception de matériaux dont les propriétés peuvent être contrôlées par la structure plutôt que par la chimie. »
Zoom sur les minuscules plis
Le graphène est une feuille de carbone d’une épaisseur d’un seul atome. Dans le cadre de ces travaux, l’équipe a examiné des plis formés naturellement, dont les courbures sont comprimées dans des espaces inférieurs à un milliardième de mètre, où la courbure extrême peut dévier les électrons vers un côté du matériau.
« Imaginez que vous pliez une règle souple, sauf que le pli est comprimé dans un espace inférieur à un milliardième de mètre », explique Sathvik Ajay Iyengar, ancien doctorant de l’université Rice et auteur principal de l’étude. « À cette échelle, les électrons du graphène se déplacent légèrement vers un côté, créant ainsi deux pôles électriques opposés, à l’image des extrémités d’une minuscule pile. »
L’équipe de recherche a utilisé des sondes microscopiques spécialisées pour mesurer la forme des plis, l’énergie électrique locale et le courant électrique. Elle a également eu recours à la spectroscopie Raman, une technique basée sur le laser qui révèle comment les atomes sont étirés ou comprimés, ainsi qu’à des simulations informatiques permettant de prédire comment la courbure modifie le mouvement des électrons. La comparaison entre des plis fortement courbés et du graphène plat situé à proximité a permis à l’équipe d’isoler les effets de la courbure.
« Les études antérieures examinaient souvent des courbures plus douces ou s’appuyaient sur une pression externe, ce qui rendait cet effet subtil difficile à isoler », a déclaré Iyengar. « La comparaison des plis fortement courbés avec le graphène plat nous a permis d’identifier clairement le rôle d’une courbure extrême. »
La forme modifie le comportement électrique
Les chercheurs ont découvert que les plis agissaient comme des rangées de minuscules dos d’âne électriques. Leurs extrémités fortement courbées modifiaient l’énergie électrique locale et généraient systématiquement un courant électrique dès qu’une tension d’environ un volt était appliquée, ce qui correspondait étroitement aux prédictions des modèles informatiques.
La réponse électrique dépendait de la netteté des plis plutôt que de leur hauteur. Les chercheurs ont estimé que la séparation des charges électriques qui en résultait, appelée polarisation, était entre 100 000 et 10 millions de fois plus forte que dans des systèmes flexoélectriques beaucoup plus grands. La polarisation est la séparation des charges électriques positives et négatives au sein d’un matériau.
« La netteté du pli s’est avérée bien plus importante que sa taille globale », a déclaré Iyengar. « Cela nous indique que nous pouvons potentiellement ajuster le comportement électrique en contrôlant minutieusement la courbure à l’échelle nanométrique. »
De la prédiction à la preuve
Cette découverte remonte à 2008, lorsque le physicien théoricien Vincent Meunier avait prédit que le graphène fortement courbé pourrait réorganiser ses électrons et produire une réponse électrique. M. Meunier, qui occupe aujourd’hui la chaire P. B. Breneman et dirige le département des sciences de l’ingénierie et de la mécanique à l’université d’État de Pennsylvanie, est l’un des auteurs correspondants de l’étude. À l’époque, il était extrêmement difficile de mesurer cet effet sur des courbures ne mesurant que quelques atomes de large.
Des années plus tard, Iyengar a réexaminé les données qu’il avait recueillies avec Manoj Tripathi, co-auteur correspondant de l’université du Sussex et aujourd’hui à South Dakota Mines, et a découvert des signaux électriques inhabituels au niveau des plis les plus marqués du graphène. Il a présenté ces résultats à Meunier, qui avait co-dirigé sa thèse de doctorat.
« Lorsque Sathvik m’a montré les mesures que lui et Manoj avaient recueillies, nous avons réalisé que ces signaux inhabituels pouvaient établir un lien expérimental avec une hypothèse que nous avions formulée bien des années auparavant », a déclaré Meunier. « En combinant les expériences et les calculs à l’échelle atomique, nous avons pu tester ce lien directement. »
Ouvrir de nouvelles perspectives pour l’électronique
Les chercheurs ont indiqué que ces résultats pourraient aider les scientifiques à déterminer si le contrôle de la courbure des plis du graphène permettrait d’ajuster le comportement électrique du matériau. Cette approche pourrait à terme favoriser le développement de capteurs plus sensibles et de dispositifs électroniques ultra-minces.
« La nature crée déjà ces minuscules plis pour nous », a déclaré M. Iyengar. « Comprendre comment ils influencent le comportement électrique offre aux scientifiques un outil supplémentaire pour concevoir les technologies de demain en tirant parti de la structure même du matériau. »
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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