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(a) Représentation schématique de la configuration du dispositif à deux bornes.
(b) Modulation optique de la réponse en courant par une succession de cycles
d’irradiation UV/lumière visible.
(c) Représentation schématique de l’hybride graphène–azobenzène lors des cycles
d’irradiation UV/lumière visible.

recherche sur les graphènes sensibles à la lumière: des applications en vue

Des chercheurs du Service de Chimie des Matériaux Nouveaux à l’Université de Mons, en collaboration avec l’Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires à l’Université de Strasbourg (France), l’Université de Cambridge (Royaume-Uni), le CNR et l’Université de Bologne (Italie), ont montré qu’il est possible de créer des dispositifs à base de graphène sensibles à la lumière, ouvrant ainsi la voie à de nombreuses applications comme les photodétecteurs et les mémoires à commande optique. Ces travaux sont parus dans la revue "Nature Communications".

L’article décrit principalement comment un dispositif électrique à base de graphène peut être contrôlé à distance par une simple exposition à la lumière à des longueurs d’onde spécifiques. Cela constitue la première étape vers le développement de matériaux multicomposants et leur utilisation pour la fabrication de dispositifs multifonctionnels. Il suffit d’imaginer une structure en mille-feuille faite des feuillets de graphène séparés par de multiples couches moléculaires, chacune intégrant une molécule fonctionnelle différente. Chaque composant fonctionnel confère ainsi un nouveau caractère sensible au matériau qui peut répondre à différents stimuli indépendants comme la lumière, un champ magnétique, un stimulus électrochimique, etc., constituant ainsi un nanocomposite à base de graphène multisensible. Ces résultats ouvrent des perspectives importantes dans l’application d’approches chimiques au graphène.

L’ensemble de l’article repose sur la même idée innovante qui consiste à combiner le graphène avec une molécule photochromique pouvant être utilisée comme un interrupteur moléculaire. Les chercheurs ont trouvé que la molécule idéale pour cela était le 4-(décyloxy)azobenzène. Cet azobenzène équipé d’une longue chaîne aliphatique est disponible dans le commerce et a la particularité de présenter une forte affinité pour le graphène qui, par assemblage entre deux feuillets de graphène adjacents, entrave l’empilement inter-feuillets. Dans le même temps, ce composé passe de l’isomère trans à cis lorsqu’il est exposé aux UV, l’isomère cis étant beaucoup plus encombré que la forme trans. Il est important de noter que ce processus est totalement réversible par une simple exposition à la lumière blanche.

La méthode relativement simple et efficace d’exfoliation en phase liquide pour transformer le graphite (peu coûteux et facilement disponible) en graphène permet non seulement d’obtenir des encres de graphène plus concentrées mais aussi de plus grande qualité pouvant être produites en routine afin d’exploiter tout le potentiel du graphène dans des dispositifs. Par exposition à la lumière UV pendant l’exfoliation en phase liquide, l’isomère encombré cis de l’azobenzène se forme, ce qui conduit à une augmentation de la concentration de l’ordre de 80% dans un solvant organique, le N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), par rapport au même processus dans le NMP pur, c’est-à-dire en l’absence d’azobenzène.

Les chercheurs ont ensuite réalisé de véritables dispositifs photocommutables avec ces échantillons de graphène. En déposant l’encre hybride graphène–azobenzène sur un substrat de SiO2 comportant des électrodes d’or interdigitées, un film continu composé essentiellement de couches alternées de graphène et d’azobenzène est obtenu. La conductivité électrique élevée du graphène permet de mesurer facilement le courant dans ces dispositifs. Lorsque l’azobenzène est dans sa forme trans, ces dispositifs conduisent l’électricité à la fois le long de la surface de graphène et par « saut » d’électrons d’une couche de graphène à l’autre. Lorsque le dispositif est exposé aux UV, l’encombrement stérique de l’isomère cis qui se forme augmente la distance entre les feuillets de graphène. Les électrons « sautent » ainsi plus difficilement d’un feuillet à l’autre, ce qui diminue la conductivité dans le film. Grâce à un procédé de dépôt en une étape, les chercheurs ont réalisé un interrupteur moléculaire modulable avec de la lumière. Ce dispositif est totalement réversible, ce qui est primordial pour la fabrication de mémoires à commande optique.

Plus d’infos ?

David Beljonne, Chimie des Matériaux Nouveaux, Université de Mons,

E-mail : david.beljonne@umons.ac.be