Découvert par les Prix Nobel de physique Andre Geim et Konstantin Novoselov, le graphène pourrait succéder au silicium pour la transmission de courant dans les circuits électroniques.

Son prédécesseur, le silicium

Le silicium se trouve dans tous les appareils électroniques : il est utilisé dans les transistors (composants fondamentaux d'un ordinateur), dans les puces électroniques et dans de nombreux autres éléments comme des panneaux photo-voltaïques.

Mais ce silicium, bien qu'utilisé massivement comme matière première de tout circuit électronique lambda, possède quelques défauts qui pourraient poser problème à l'avenir. Nos puces électroniques actuelles contiennent de plus en plus de transistors et fonctionnent à des fréquences de plus en plus élevées. Dans ces conditions, le silicium commence à montrer ses limites.

Devant cette situation, les fabricants de matériel électronique, comme Intel ou TSMC, travaillent sur d'éventuels successeurs au silicium (gallium, germanium, molybdénite,...). Par conséquent, le silicium pourrait bien se faire remplacer par le graphène d'ici quelques dizaines d'années.

Le graphène : qu'est-ce ?

Ce nouveau matériau, d'une solidité extrême, se trouve à l'état naturel : il compose le graphite, forme de carbone pur qui compose notamment nos mines de crayons..

Le graphène est composé de couches de feuilles de carbone très fines (de l’épaisseur d'un atome) qui se superposent pour former le cristal de graphite. Un millimètre de graphite contient trois millions de feuilles de graphène. Nous pouvons donc obtenir de grandes quantités de graphène à partir du graphite, qui est un matériau relativement courant. Le graphène fut isolé en 2004 par les physiciens Andre Geim et Konstantin Novoselov, travaillant à l'Université de Manchester.

Ses performances

Le graphène possède de nombreux avantages qui lui permettraient d'être utilisé dans la fabrication de circuits électroniques qui chauffent beaucoup. Les circuits électroniques de nos ordinateurs en font partie : leur fonctionnement à hautes fréquences et leur nombre élevé de transistors produit une grande quantité de chaleur qu'il faut évacuer. Cette dissipation thermique est un gros problème : elle limite la montée en fréquence et la complexité des circuits de nos ordinateurs (en raison de l'apparition de nombreuses contraintes de conception directement liées au dégagement de chaleur local de chaque portion de puce).

Composé d'une fine couche d'atomes de carbone, sa conductivité est largement supérieure à celle du silicium. Cette faible résistance électrique pourrait lui permettre de remplacer le cuivre dans les "fils électriques" et les interconnexions qui relient les composants électriques d'un ordinateur.
En effet, la résistance électrique des interconnexions en cuivre commence à être un problème. Il faut savoir que ces interconnexions sont de plus en plus petites et fines à cause de la miniaturisation. Or, plus on miniaturise ces interconnexions, moins le cuivre de celles-ci est conducteur : sa résistance électrique augmente. Cette augmentation de résistance s’accompagne d'une élévation de la température de ces pistes qui se traduit par une dissipation thermique plus élevée (en vertu de l'effet Joule), ainsi qu'un risque de panne de la puce plus fréquent. Le graphène n'a pas ce problème : sa résistance reste très faible, même à des taux de miniaturisation très élevés.
Autre prouesse technique, sa conductivité thermique est très élevée : environ 5000 Wm^-1 K^–1, sachant que celle du diamant (qui est un matériau possédant une excellente conductivité thermique) avoisine les 2000 Wm^–1 K^–1. En clair : le graphène dissipe très rapidement la chaleur, ce qui est très intéressant pour les concepteurs de puce électroniques.

Le graphène pourrait aussi être utilisé pour fabriquer des transistors à effet de champ, identiques à ceux utilisés dans nos ordinateurs. Avec un avantage sur ceux-ci : les transistors en graphène seraient plus rapides, du fait de leurs propriétés électromagnétiques.
Les électrons qui traversent du graphène sont plus mobiles : ceux-ci se déplacent 30 fois plus vite que sur le silicium, ce qui donne une vitesse de 1000 km/seconde. De ce fait, les électrons du graphène réagissent plus vite à la présence, l'apparition ou la disparition d'un champ électrique appliqué au matériau.
Cela permet de créer des transistors à effet de champ plus rapides : la jonction entre la source et le drain pourrait ainsi réagir plus vite au remplissage ou à la vidange de la grille.

Son usage dans le futur

En 2009, des chercheurs du Politecnico di Milano, grand centre de recherche italien, ont réussi à créer des portes logiques fabriquées à base de transistors intégralement conçus en graphène.
La même année, des chercheurs du MIT ont utilisé du graphène pour concevoir un circuit électronique commun nommé multiplieur de fréquence : ce circuit prend sur une de ses entrées une tension électrique variable d'une certaine fréquence, et produit sur sa sortie une tension électrique similaire, mais d'une fréquence multiple de la fréquence du signal d'entrée.
Ces deux circuits sont malheureusement assez décevants : leur fréquence ne dépasse pas les 25 kHz, ce qui était trop peu pour les qualifier de remplaçants du silicium. De plus, un défaut apparent des puces au graphène actuel est très prononcé sur ces puces : la tension fournie en sortie est très faible comparée à la tension d'entrée.

Dans la puce créée par les scientifiques du MIT, la tension de sortie était 40 fois plus faible que la tension d’entrée, ce qui est un défaut assez important dans certaines applications. Cela n’empêche pas la plupart des constructeurs de matériel électronique de s'intéresser au graphène. Ceux-ci essaient depuis des années de trouver un remplaçant au silicium, condamné à ne pas pouvoir monter en fréquence trop longtemps. La société IBM, par exemple, annonça en juin 2011 que ses ingénieurs avaient réussi à mettre au point un circuit imprimé basé sur des transistors en graphène. Sa fréquence est de 100 GHz. Cette puce a été conçue avec des techniques de fabrication utilisées pour concevoir des puces au silicium, ce qui est un détail favorable à l'exploitation industrielle du graphène en remplacement du silicium.
De plus, ce circuit a été conçu avec des contraintes de miniaturisations (taille des transistors, des interconnexions, et autres détails techniques) similaires à celles utilisées dans les circuits électroniques actuels.

Malgré la popularité croissante de ce matériau, son prix de production reste très élevé : nous n'attendons donc pas de matériel accessible à tous avant quelques années.