Nanomeshs de Graphène – GANESH

Le but du projet GANESH est le design et la fabrication par l’approche ascendante (approche « bottom-up ») de feuillets de graphène comportant des réseaux bidimensionnels de trous (Graphene Nanomesh, GNM) et d’étudier leurs propriétés optiques et électroniques en combinant l’expérience et la théorie.
Les propriétés électroniques, optiques et mécaniques du graphène inspirent très fortement la communauté scientifique tant du point de vue fondamental qu’applicatif. Ce sont notamment les perspectives d’applications dans des domaines très variés tels que l’électronique, la spintronique, les énergies renouvelables, les matériaux composites et la biologie/médecine qui ont conduit au lancement par l’union Européenne du « Flagship Graphene ». Avant d'accéder à ces applications un grand nombre de questions scientifiques doivent être résolues. La première d’entre elles concerne le contrôle des propriétés électroniques et optiques et notamment l’ouverture d’une bande interdite dans la structure électronique. Il est bien établi que, réduits à des tailles nanométriques, les nanomatériaux acquièrent des propriétés différentes de celles du matériau massif. La réduction d’une des dimensions du graphène jusqu’aux échelles nanométriques conduit à la formation de nano-rubans alors que la réduction des deux dimensions conduit aux nanoparticules de graphène. Comme attendu, ces matériaux présentent une bande interdite. Dans le graphène, la réduction de taille n’est pas le seul moyen de contrôler les propriétés électroniques. En 2008, des études théoriques ont prédit qu’un réseau régulier de trous dans une structure de graphène 2D pour former un nanomesh permet également d’ouvrir une bande interdite et de former ainsi un nouveau semiconducteur 2D. En 2010 ont été réalisés les premiers nanomesh de graphène par l’approche descendante (approche « top-down »). Bien que cette approche reste prédominante pour la fabrication de GNM, cette dernière ne permet pas de contrôler précisément la taille des trous, leur espacement et surtout leurs états de bord. Afin d’obtenir des GNM contrôlés à l’échelle atomique, l’approche « bottom-up » doit être considérée.
Dans ce contexte, les objectifs du projet sont : i) de synthétiser des précurseurs organiques contenant des fonctions réactives ; ii) de déposer et de polymériser ces précurseurs sur une surface métallique pour former un réseau 2D covalent présentant une structure (un réseau de trous) bien contrôlée ; iii) de caractériser les propriétés optiques et électroniques de ce matériau par la combinaison d’analyses in situ et ex situ le tout avec un fort soutien théorique (calculs ab initio et par des méthodes semi-empiriques). Pour cela, le projet rassemble quatre partenaires possédant des expertises complémentaires en chimie, microscopie de champ proche, optique, électronique et théorie/simulation pour mener à bien un projet de recherche ambitieux qui vise à créer des matériaux graphéniques avec des propriétés sur-mesure.
Le but du projet est notamment de répondre à des questions fondamentales telles que :
- Est-il possible de contrôler les propriétés d’un matériau à partir du contrôle de la structure d’un monomère ?
- Est-il possible de fabriquer des nanomesh de graphène suffisamment grands et réguliers par l’approche « bottom-up » ?
- Comment la présence de défauts ou de dopants insérés dans un monomère va influencer les propriétés du nanomesh de graphène ?
Du point de vue de la chimie, la synthèse de tels matériaux représente un challenge excitant. Du point de vue de la physique, les études des caractéristiques optiques et du transport électronique proposées sont à la pointe de la recherche actuelle et sont susceptibles d’impacter significativement la communauté des matériaux graphéniques.
Ces matériaux intéresseront sans nul doute la communauté scientifique et de nouvelles études comme le transport sous champ magnétique, le transport de spin, ou de nouvelles propriétés électrochimiques en découleront.