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RÉSUMÉ
Les propriétés d’un matériau de taille nanométrique diffèrent de celles du même matériau à l’échelle micro ou macroscopique. La taille en dessous de laquelle une propriété est modifiée dépend de la propriété elle-même, via une ou des longueurs caractéristiques. L’objet de cet article est de décrire quelques longueurs caractéristiques afin d’explorer les effets de taille et de forme sur les propriétés mécaniques, électroniques, optiques, de transport, magnétiques et thermodynamiques ou chimiques des nano-objets. Ces propriétés intrinsèques donnent lieu à des innovations dans de nombreux domaines industriels (médecine, énergie, environnement, transport, textile, industrie chimique, électronique…).
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Pierre MÜLLER : Professeur à l’université d’Aix-Marseille - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM), UMR 7325, - Campus de Luminy, 13288 Marseille, France
INTRODUCTION
La réduction de taille d'un objet vers des dimensions nanométriques modifie quantitativement et qualitativement ses propriétés. C’est pourquoi, alors que les propriétés d’un matériau macroscopique ne dépendent que de sa structure et de sa composition, les propriétés d'un nano-objet résultent également de sa taille et de sa forme. Ainsi, si aux échelles usuelles, l'ingénieur doit, pour obtenir des propriétés spécifiques, rechercher la composition chimique puis la structure cristallographique idéales, à l'échelle nanométrique le même ingénieur dispose des variables supplémentaires que sont la taille et la forme de l'objet. L'espace des paramètres accessibles ainsi augmenté est à l’origine de nombreuses applications potentielles. Il n’existe cependant pas de règle universelle permettant de prédire en dessous de quelle taille critique les propriétés d’un nano-objet diffèrent de celles du même matériau massif à partir duquel il a été formé. Dans le cas des matériaux hétérogènes, composés de domaines ou de grains, la taille critique est celle d’un domaine. Pour les matériaux homogènes, toute propriété étant caractérisée par une (ou plusieurs) longueurs caractéristiques, un nano-objet doit avoir une taille critique de l’ordre de grandeur ou plus petite que cette longueur caractéristique pour que ses propriétés diffèrent de celles du matériau massif.
L’objectif de cet article est, sans prétendre à l’exhaustivité, d’analyser les propriétés mécaniques, électroniques, optiques, magnétiques, de transport et thermodynamiques des nano-objets en prêtant une attention particulière aux longueurs caractéristiques des propriétés étudiées et ainsi mettre en exergue les tailles critiques en dessous desquelles les nano-objets peuvent présenter des propriétés spécifiques liées à leur taille mais aussi à leur forme. Une attention particulière est portée aux nanoparticules, aux films ultra minces et matériaux bidimensionnels ainsi qu’aux nanofils ou nanotubes qui sont des nano-objets présentant une dimension nanométrique dans respectivement trois, deux ou une direction. Les matériaux nanostructurés ou nanocomposites qui, bien que de dimensions macroscopiques, peuvent présenter des propriétés nouvelles induites par leur structuration à l’échelle nanométrique, sont également évoqués.
Afin de faciliter la lecture, chaque section dédiée à une propriété est précédée d’un rappel succinct (dans un encart) suivie d’une définition des longueurs caractéristiques associées. Les principaux effets de taille et de forme sur les propriétés de nano-objets de taille inférieure à ces tailles critiques sont alors décrits et quelques exemples d’applications présentés.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de déc. 2001 par Paul COSTA
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Cas des matériaux nanostructurés ou nanocomposites
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3. Cas des nanomatériaux de la famille du graphène
3.1 Feuillets de graphène et autres matériaux 2D
Le graphite est un empilement de plans de graphène tournés de 60° les uns par rapport aux autres (empilement Bernal) . Chaque atome de carbone d’un plan de graphène présente une hybridation sp2 et établit trois liaisons σ avec ses trois plus proches voisins. Le quatrième électron se propage par les bandes π dérivées des orbitales pz perpendiculaires au plan atomique. Le graphène est un conducteur métallique dont le diagramme de bande est caractérisé par une énergie dépendant localement linéairement du vecteur d’onde k, ce qui est inhabituel puisque généralement l’énergie des électrons dans un conducteur varie comme le carré du vecteur d’onde. Cette dispersion linéaire confère au graphène un grand nombre de propriétés remarquables, électroniques, optiques, mécaniques, de transport faisant du graphène un matériau aux multiples applications potentielles. Ainsi par exemple, les électrons se déplacent 150 fois plus vite dans le graphène que dans le silicium, le graphène est 6 fois plus léger et 200 fois plus résistant que l’acier et n’absorbe que 2 % de la lumière .
Malgré ses propriétés remarquables, l’utilisation du graphène dans l’industrie de la microélectronique, et plus particulièrement des transistors, est difficile compte tenu de son caractère métallique et non pas semi-conducteur. Il existe à l’heure actuelle un engouement important pour d’autres types de matériaux dits bidimensionnels, c’est-à-dire formés d’une seule couche atomique, pouvant être utilisés en électronique (car semi-conducteurs) ou en optronique ...
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Cas des nanomatériaux de la famille du graphène
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MÜLLER (P.), LEROY (F.) - Nanosciences et nanomatériaux : rappels de cours et apprentissage par exercices corrigés. - Éditeur Ellipses, Collection : Formations et techniques, 288 pages (2019).
-
(2) - MÜLLER (P.), ANDRIEU (S.) - Les surfaces solides : concepts et méthodes. - Éditeur EDP Sciences, CNRS Editions, 510 pages (2005).
-
(3) - MÜLLER (P.), SAUL (A.) - * - . – Surface Science Reports, 54, 157 (2004).
-
(4) - MÜLLER (P.) et al - * - . – Advanced Natural Science : Nanoscience and Nanotechnology 5, 013002 (2014).
-
(5) - SINGLETON (J.) - Band theory and electronic properties of solids, Oxford Master Series in Condensed Matter Physics. - Oxford University Press, 222 pages (2001).
-
(6) - MÜLLER...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
La plupart des laboratoires français et internationaux étudiant les matériaux s’intéressent à leurs propriétés à l’échelle nanométrique. La liste suivante de laboratoires français est non exhaustive :
-
Groupe de Physique de Matériaux
-
Centre d’élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales, Toulouse
-
Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille
-
Centre de Nanoscience et de Nanotechnologie
-
Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes Toulouse
-
Laboratoire INAC-Spintec, UMR CNRS/CEA/UGA
-
Institut de Microélectronique et de Nanoscience de Provence
-
Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, Paris
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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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