ELe graphène: le matériau idéal pour l'électronique, l'informatique et bien plus

L'industrie des semi-conducteurs est la base de l'économie de haute technologie actuelle, soutenant directement plus de 100 000 emplois en Europe et, encore plus indirectement. Cette situation est le fruit de la miniaturisation continue en technologie CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) sur substrat silicium. Mais dans 10 à 15 ans, ce modèle sera dépassé.

Le défi majeur pour l'industrie des TIC est de trouver des solutions alternatives de traitement et de stockage de l'information allant au-delà des limites des technologies CMOS existantes. Certains signes portent à croire que le graphène est un candidat sérieux pour la conception de composants «au-delà des techniques CMOS conventionnelles» et qu'il est complémentaire à ces dernières malgré sa nature révolutionnaire.

Le graphène fait l'objet de toutes les attentions depuis les expériences capitales réalisées sur ce nouveau matériau il y a moins de 10 ans et qui ont valu le prix Nobel de physique en 2010 au professeur Andre Geim et au professeur Kostya Novoselov, de l'université de Manchester. Les propriétés électriques remarquables du graphène peuvent surmonter les limites physiques que rencontre le silicium du fait que la dimension des transistors se réduit de plus en plus, offrant des solutions pour aller «au-delà du CMOS» et surtout pour affronter la concurrence mondiale.

Rassemblant plusieurs disciplines et abordant diverses questions en matière de recherche, de la compréhension fondamentale des propriétés du matériau à la production de graphène, le projet de grande envergure GRAPHENE (1) a été lancé en octobre 2013. La recherche proposée porte sur l'électronique, la spintronique, la photonique, la plasmonique et la mécanique, tous basés sur le graphène.

Dirigé par le professeur Jari Kinaret de la Chalmers University, en Suède, le projet phare implique plus de 126 groupes de chercheurs académiques et industriels dans 17 pays européens, et 136 chercheurs principaux, dont quatre lauréats du prix Nobel. Disposant d'un budget initial de 54 millions d'euros sur 30 mois, il est prévu que le consortium GRAPHENE accueille de 20 à 30 groupes de recherche supplémentaires avec l'ouverture d'un appel à propositions en novembre , qui représentera un total de 9 millions d'euros.

«La production de graphène est évidemment au cœur de notre projet», a déclaré le professeur Kinaret lors du lancement, mais les principales applications visées comprennent les systèmes électronique et optiques rapides, l'électronique flexible, les composants fonctionnels légers et les batteries avancées. Les produits électroniques grand public rapides, flexibles et résistants, comme le papier électronique et les dispositifs de communication personnels enroulables, ainsi que les avions plus légers et économes en énergie sont des exemples de produits utilisant les nouvelles technologies graphène. À long terme, le graphène devrait donner lieu à de nouveaux paradigmes informatiques et des applications médicales révolutionnaires, telles que des rétines artificielles.

Cap sur: le graphène en tant que «FET Flagship»

Décrits par la vice-présidente de la Commission européenne Neelie Kroes comme une «aventure audacieuse», les projets phare FET («Future and emerging technologies») sont des initiatives de recherche visionnaires de grande envergure, axées sur la science, qui s'attaquent aux défis technologiques et scientifiques dans toutes les disciplines concernées. Ces nouveaux instruments en financement de la recherche européenne encouragent les efforts coordonnés entre l'UE et les programmes nationaux et régionaux de ses États membres. Ils sont aussi très ambitieux et reposent sur la coopération entre les diverses disciplines, communautés et programmes, nécessitant un soutien pendant au moins 10 ans. Après la phase de démarrage dans le cadre du septième programme-cadre de recherche (7e PC) de l'UE, qui s'achèvera en mars 2016, les travaux se poursuivront au titre du prochain programme, «Horizon 2020», avec un budget estimé à 50 millions d'euros par an pour le projet phare.

Le graphène a été retenu à l'issue d'un processus de sélection portant sur six projets pilotes en compétition car il offrait le meilleur potentiel d'investissement durable dans la conduite d'activités de recherche concernant ces domaines. Comme Mme Kroes l'a déclaré: «La position de l'Europe en tant que superpuissance de la connaissance impose de penser l'impensable et d'exploiter les meilleures idées. Cette compétition de plusieurs milliards récompense les progrès scientifiques réalisés à l'échelon national et montre qu'en faisant preuve d'ambition nous pouvons développer la meilleure recherche en Europe».

Le projet phare pour le graphène, GRAPHENE-CA (2) a examiné comment les développements sur ce matériau de carbone pourraient révolutionner les TIC et l'industrie. Le projet pilote a fixé une feuille de route technologique et scientifique complète destinée à servir de base à l'agenda de la recherche du projet de grande envergure GRAPHENE, couvrant l'électronique, la spintronique, la photonique, la plasmonique et la mécanique, et soutenant des secteurs tels que la production de graphène et la chimie. C'est sur cette base qu'il a été sélectionné.

Maintenant, le projet phare est en route et comprend déjà une équipe de recherche de grande envergure . En font partie les universités de Louvain en Belgique, d'Aalto en Finlande, de Lille et Strasbourg en France, de Brême, Chemnitz, Dresde et Hambourg en Allemagne, d'Ioannina en Grèce, de Dublin en Irlande, de Trieste en Italie, de Minho au Portugal, de Barcelone et de Castilla-La Mancha en Espagne, de Bâle, Genève et Zurich en Suisse, de Delft et Groningen aux Pays-Bas, ainsi que de Cambridge, Manchester et d'Oxford au Royaume-Uni. À celles-ci viennent s'ajouter des institutions de technologie et écoles polytechniques d'Allemagne, d'Autriche, du Danemark, d'Espagne, de France, de Grèce, d'Italie, de Pologne, de Suède et de Suisse. Le consortium réunit également des partenaires industriels tels que Nokia, Thales, Alcatel Lucent, Philips Technology, Airbus et ST Microelectronics. Et cette liste ne représente qu'une partie des organisations participantes.

Leur mission est de développer les applications du graphène, et plus largement de la famille des matériaux bidimensionnels, de révolutionner ainsi de nombreuses industries et de générer à la fois croissance économique et emploi en Europe.

«La Commission et l'ensemble des partenaires académiques et industriels du projet phare Graphene sont tous concernés. Soyons clairs, il s'agit d'un engagement inhabituel sur le long terme et les défis à relever seront nombreux», a déclaré Carl-Christian Buhr, membre du Cabinet de Mme Kroes. «Nous devons apporter à l'industrie des idées capables d'être mises en pratique et de mener à de nouveaux produits et marchés. C'est l'idée globale du projet phare».

Le projet comporte en fait tout un ensemble d'activités complémentaires visant à atteindre cet objectif, notamment:

- un type de projet ERA-NET, FLAG-ERA (3), destiné à soutenir la coordination des initiatives de recherche nationales sur le graphène.
- un éventail d'initiatives axées sur la diffusion des connaissances à l'échelle mondiale afin de mieux faire connaître le graphène. La Graphene Week , par exemple, est un forum annuel rassemblant des centaines de chercheurs désireux de faire part de leurs découvertes dans diverses disciplines. Le prochain se tiendra à Göteborg, en Suède, en juin 2014. Son objectif est d'être une «tribune sur le graphène» où se mêlent les débats sur la science fondamentale et les nouvelles applications.
- Graphene Connect est une plateforme interactive dédiée aux universitaires et entreprises, encourageant les scientifiques à sortir des sentiers battus et aux industriels à développer des produits finis basés sur le graphène. Elle comportera plusieurs ateliers professionnels et des sessions permettant aux business angels, entrepreneurs et investisseurs en capital-risque de débattre des opportunités d'investissement potentiel dans le graphène.
- Graphene Study est une université d'hiver européenne sur le graphène qui contribuera à créer une nouvelle génération de chercheurs en graphène, ainsi que de nouvelles voies de communication directe entre les jeunes chercheurs et les acteurs des milieux universitaires et industriels. La première sera organisée dans les Alpes autrichiennes, du 2 au 7 février 2014.

Premiers résultats

Certains des précédents projets de recherche sur le graphène financés par l'UE ont déjà donné des résultats prometteurs. Le projet GRAND (4), qui s'est achevé en décembre 2010, a étudié si le graphène ferait aussi des merveilles dans le cas d'une intégration au procédé CMOS de base silicium.

Dirigée par AMO, en Allemagne, l'équipe du projet s'est employée à évaluer si le graphène pouvait réellement faire évoluer la technologie des semi-conducteurs «au-delà des techniques CMOS» conventionnelles. Le consortium GRAND a développé des méthodes de fabrication de nanostructures de graphène bidimensionnelles (d'une largeur de 5 nm à peine) en vue d'une utilisation dans les composants électroniques. Il était important de démontrer que non seulement de tels composants pouvaient fonctionner, mais également qu'il était possible de les fabriquer suivant une méthode capable d'être adaptée à l'échelle industrielle.

L'équipe a ainsi mis au point un nouveau type de transistor, dont le concept a été publié dans la célèbre revue scientifique «Applied Physics Letters», qui pourrait ouvrir de nouvelles voies pour les dispositifs électroniques et optoélectroniques haute vitesse basés sur le graphène.

Dans le cadre du projet GRAND, le graphène a aussi été intégré dans un dispositif de mémoire non volatile dont la taille pourrait être réduite à l'échelle moléculaire: une mémoire graphène mesurant seulement 1x1 nm, qui conserve les informations stockées sur le support, même si celui-ci est éteint. L'équipe a fabriqué plus de 10 dispositifs de ce genre, signe de leur extensibilité.

Dirigé par la Chalmers University of Technology, en Suède, le projet CONCEPTGRAPHENE (5) a été mis en place pour libérer le potentiel du procédé de dépôt d'une fine couche de graphène sur un substrat en carbure de silicium (SiC) en vue de développer une électronique évolutive ayant des applications possibles en «spintronique» et dans les instruments de mesure ultra précis. L'équipe s'est penchée sur la fabrication de plaquettes de graphène à grande échelle qui permettraient de fabriquer des dispositifs électroniques à haute densité sur une simple plaquette de silicium. Ce type de technologie sera nécessaire pour la fabrication industrielle à grande échelle des composants et dispositifs de base graphène selon une méthode adaptée aux techniques actuelles.

Achevé en septembre 2013, le projet a lancé une jeune entreprise qui produira des plaquettes en graphène. Graphensic AB est basée à Linköping, en Suède. Il s'agit d'une entreprise dérivée de l'Université de Linköping, qui produit du graphène de grande qualité et très uniforme sur du carbure de silicium (SiC) en utilisant un «procédé de graphène haute température» breveté, un procédé de croissance produisant une fine couche de graphène, voire une simple couche d'atomes, sur substrats SiC.

Mais ce n'est pas tout

Le graphène ne se limite pas à être un matériau innovant susceptible de transformer l'électronique. Le projet 2D-NANOLATTICES (6), qui se terminera en mai 2014, se penche sur d'autres structures de réseau cristallin en tamis moléculaire de type graphite et basées sur différents éléments. Ces «nanostructures» recèlent aussi un potentiel considérable pour ouvrir la voie à des dispositifs nanoélectroniques toujours plus puissants et plus petits. En particulier, le «silicène» (ou «germanène»), l'équivalent silicium ou germanium du graphène, s'ils existent, peuvent offrir une meilleure compatibilité avec le traitement au silicium.

Dirigée par le Centre national de la recherche scientifique «Demokritos», en Grèce, l'équipe du projet a pour objectif de trouver un moyen d'induire et de stabiliser le silicium et le germanium et de démontrer pour la toute première fois que le silicène a une existence physique. En produisant des couches alternées faiblement liées entre elles, chacune constituée d'une simple couche d'atomes, ce nouveau matériau pourrait remplacer les éléments de portes et autres composants dans les nouveaux semi-conducteurs 2D miniaturisés.

Peut-être en sommes-nous encore aux tous premiers stades, mais cela ressemble bien aux premières étapes d'une transformation dans le mode de fabrication, et dans la capacité, des dispositifs électroniques, offrant la possibilité de transformer pareillement l'industrie européenne de la haute technologie et l'économie.

Les projets présentés dans cet article étaient tous soutenus par le septième programme-cadre de recherche (7e PC).

(1) «Graphene-based revolutions in ICT and beyond»
(2) «Graphene-based nanoelectronic devices»
(3) «A flagship-supporting ERA-NET»
(4) «New electronics concept: wafer-scale epitaxial graphene»
(5) «Coordination Action for graphene-driven revolutions in ICT and beyond»
(6) «Strongly anisotropic Graphite-like semiconductor/dielectric 2D nanolattices».

Liens au projet sur CORDIS:

- le 7e PC sur CORDIS
- Fiche d'informations du projet de grande envergure GRAPHENE sur CORDIS
- Fiche d'informations du projet GRAPHENE-CA sur CORDIS
- Fiche d'informations du projet GRAND sur CORDIS
- Fiche d'informations du projet CONCEPTGRAPHENE sur CORDIS
- Fiche d'informations du projet 2D-NANOLATTICES sur CORDIS

Liens aux sites des projets:

- Site Internet du projet «Graphene-based revolutions in ICT and beyond»
- Site Internet «Coordination Action for graphene-driven revolutions in ICT and beyond»
- Site Internet «Graphene-based nanoelectronic devices»
- Site Internet «New electronics concept: wafer-scale epitaxial graphene»
- Site Internet «Strongly anisotropic Graphite-like semiconductor/dielectric 2D nanolattices»

Liens aux actualités et articles connexes:

- «En vedette - Bienvenue dans le monde des technologies futures et émergentes»
- Communiqué de presse de la CE: Les projets «Graphène» et «Cerveau humain» reçoivent une récompense historique dans le domaine de l'excellence scientifique, mais la bataille pour le financement des sciences se poursuit
- Communiqué de presse sur le lancement du projet de grande envergure GRAPHENE (en anglais uniquement)

Autres liens:

- Site web de la stratégie numérique de la Commission européenne