Voir la source de Graphane

{{confusion|graphène}}
{{Infobox Chimie
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Le '''graphane''' est un [[matériau bidimensionnel]] [[cristal|cristallin]] dérivé du [[graphène]]. Issu de l'hydrogénation complète d'une feuille de graphène, il est nommé ainsi par analogie avec les [[alcane]]s : à chaque atome de [[carbone]] est associé un atome d'[[hydrogène]] dont la liaison est perpendiculaire au plan du cristal. L’intérêt porté à ce nouveau matériau s’explique par les applications concrètes dont il pourrait être le sujet, comme le stockage de l’hydrogène, ou sa probable utilisation en micro et [[nanoélectronique]].

== Histoire ==

=== Prédiction théorique ===
La prédiction théorique de l'existence du graphane est généralement attribuée au professeur Jorge O. Sofo en 2007<ref>Sofo, Jorge O. et al. (2007). "Graphane: A two-dimensional hydrocarbon". Physical Review B 75 (15): 153401–4.</ref> ; cependant, quatre ans plus tôt, une équipe japonaise avait fait cette prédiction sans utiliser le mot "graphane"<ref>Sluiter, Marcel; Kawazoe, Yoshiyuki (2003). "Cluster expansion method for adsorption: Application to hydrogen chemisorption on graphene". Physical Review B 68: 085410</ref>. Le graphane a été obtenu pour la première fois début 2009, par une équipe internationale comprenant les deux codécouvreurs du graphène : [[Andre Geim]] et [[Konstantin Novoselov]], lauréats du prix Nobel de physique 2010<ref>D. C. Elias and al. (2009). "Control of Graphene's Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane". Science 323 (5914): 610.</ref>.

=== Synthèse du graphane ===
Le graphane a été obtenu par le procédé suivant. Les échantillons de graphène ont été premièrement chauffés à {{tmp|300|°C}} pendant {{nombre|4|heures}} dans un gaz d’[[argon]] afin d’éliminer toute impureté. Ensuite, les échantillons ont été placés dans un [[Physique des plasmas|plasma froid]] d’hydrogène, ou plus précisément dans un mélange argon (90 %) - hydrogène (10 %), à basse pression ({{unité/2|0.1|mbar}}). Les feuillets de graphène étaient placés entre deux électrodes en [[aluminium]], à {{unité|30|cm}} de la zone de décharge (permettant d’ioniser les molécules diatomiques d’hydrogène) afin d’éviter un possible endommagement par des ions trop énergétiques. Il a fallu attendre typiquement deux heures pour que l’hydrogénation soit décrétée comme suffisante. Des mesures de [[résistivité]] ont tout d'abord prouvé que le graphène est réactif chimiquement, mais surtout que le processus d'hydrogénation du graphène est réversible par simple chauffage à haute température. Ces premiers résultats ont été corroborés par [[Diffusion Raman|spectroscopie Raman]], qui a également permis de vérifier qu'une hydrogénation des deux côtés du plan de graphène produit deux fois plus de signal qu'une hydrogénation unilatérale. Enfin, la diminution du paramètre de maille a été vérifiée par des mesures topographiques par [[Microscopie électronique en transmission|MET]].

== Propriétés ==
En présence d’hydrogène, le graphène réagit : l’[[électron]] de l’atome d'hydrogène se lie à un électron libre du graphène (les électrons de conduction fournis par les atomes de carbone) pour former une nouvelle liaison chimique. L'[[Hybridation (chimie)|hybridation]] des atomes de carbone passe alors de sp<sup>2</sup> à sp<sup>3</sup> (carbone tétraédrique). La structure est ainsi entièrement saturée. Cette modification de l'hybridation a plusieurs conséquences.

=== Propriétés structurales ===
Premièrement, la structure spatiale du graphène est modifiée. En effet, les atomes d’hydrogène se lient aux atomes de carbone des deux côtés du plan de graphène de façon alternée (un atome sur deux). Ils tirent donc de chaque côté du plan moyen, ce qui a pour conséquence la modification de la structure atomique. Cette compression de la maille est toutefois compensée par l'élongation des liaisons C-C qui valent désormais {{unité|1.52|Å}} (contre {{unité|1.42|Å}} dans le graphène), du fait qu'une [[Liaison π|double liaison]] est plus courte qu'une [[liaison σ]] (simple).

=== Propriétés électroniques ===
La structure du graphane ressemble alors à celle du [[diamant]], un allotrope [[isolant]] à large gap en énergie. C’est donc sans surprise que le graphane est effectivement caractérisé par un comportement isolant, avec la particularité notoire que la largeur du gap peut être modulée par l’ajout d’une plus ou moins grande quantité d’hydrogène<ref name="aab">D. W. Boukhvalov et al., Phys. Rev. B 77, 035427 (2008).</ref>. C'est une des raisons pour lesquelles les articles parlent de plus en plus du graphane comme un matériau [[semi-conducteur]]. En effet, l’adsorption d’hydrogène accompagnée du changement d’hybridation déplace les bandes de conduction π, ouvrant un gap en énergie dans la [[Théorie des bandes|structure de bande]]. Le gap d’énergie au point Γ (centre de la première [[zone de Brillouin]]) vaut alors {{unité|3.5|eV}} (une valeur corrigée serait de {{unité|5.97|eV}})<ref name="aaa">H. Şahin, C. Ataca, and S. Ciraci. Magnetization of graphane by dehydrogenation. Appl. Phys. Lett. 95, 222510 (2009)</ref>.

=== Propriétés magnétiques ===
Le graphane idéal est entièrement non-magnétique: tous les électrons participent aux liaisons C-C et C-H. Le retrait d’un atome d’hydrogène engendre un passage à la configuration électronique sp<sup>2</sup>, plane, avec réapparition d’une [[Orbitale atomique|orbitale]] pz perpendiculaire. Ce site vacant présente ainsi un électron non-apparié qui génère un moment magnétique de 1 μB ([[magnéton de Bohr]]). Une absence d’atomes d’hydrogène dans le graphane peut donner naissance à des structures magnétiques particulières. Celles-ci dépendent de la forme et de la taille de la zone où la déshydrogénation a été effectuée. Ces résultats d’aimantation contrôlée par déshydrogénation, bien que purement théoriques, encouragent les auteurs qui expliquent que des feuilles de graphane pourraient alors servir pour stocker des données, avoir des applications en [[spintronique]], ou encore être utilisées en tant que marqueurs non toxiques en imagerie médicale<ref name="aaa" />.

== Applications ==
=== Stockage de l'hydrogène ===
La caractéristique la plus intéressante révélée par l'équipe qui a synthétisé pour la première fois le graphane est que le processus de fixation des atomes d’hydrogène sur le graphène peut être inversé simplement en chauffant le graphane. Cette réversibilité fait du graphane un matériau prometteur pour stocker dans un faible volume de grandes quantités d’hydrogène facilement libérables. Il pourrait ainsi améliorer les rendements des actuelles [[Pile à combustible|piles à combustible]] à dihydrogène. Il faut malheureusement garder à l'esprit que les coûts de production du graphène sont encore bien trop élevés actuellement pour envisager une distribution à l'échelle industrielle (quelques millions de dollars pour quelques centimètres carrés). Une possibilité, selon le professeur M.Katsnelson, serait de se contenter de feuilles de graphène multicouches, bien plus facile à produire<ref>{{Lien brisé |url= http://www.ru.nl/english/general/news_agenda/news/redactionele/flattest-form-carbon/ |titre=ru.nl/english/general/news_age… |brisé le=02-06-2023}}.</ref>.

=== Nanoélectronique ===
Une seconde exploitation du graphane serait son utilisation comme matériau de base en micro et nanoélectronique. En effet, son caractère semi-conducteur à gap large peut servir de base à de nombreux mécanismes. Le fait que la hauteur du gap soit modulable par simple taux d’hydrogénation<ref name="aab" />{{,}}<ref name="aac">H. Şahin, C. Ataca, and S. Ciraci. Electronic and magnetic properties of graphane nanoribbons. PHYSICAL REVIEW B 81, 205417 (2010)</ref> ou par découpe plus ou moins large d’un nanoruban<ref name="aac" />, font du graphane un semi-conducteur particulièrement intéressant. De plus, bien que tous deux semi-conducteurs, le graphène et le graphane possèdent des gaps en énergie très différents (fondamentalement nul pour le graphène ; de {{unité|5.97|eV}} pour le graphane<ref name="aaa" />). Des mécanismes combinant les deux matériaux sont fortement envisageables pour les conductions électroniques souhaitées. Récemment, une équipe iranienne a prouvé la faisabilité de [[jonction P-N]] à base de graphane par simple déshydrogénation<ref>Behnaz Gharekhanlou, Sina Khorasani. Current-voltage characteristics of graphane p-n junctions. IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 57, no. 1, pp. 209-214 (2010)</ref>. Une autre a mis en valeur son comportement [[Supraconducteur à haute température|supraconducteur]] lorsqu’il est dopé p ; la température critique atteindrait {{nombre|90|K}} (bien au-dessus du point d’ébullition de l’[[azote]])<ref>G. Savini, A. C. Ferrari, and F. Giustino. Doped graphane: a prototype high-Tc electron-phonon superconductor. Phys Rev Lett 105, 037002 (2010)</ref>. Enfin, les travaux théoriques de E. Penev et A. Singh, démontrent que la déshydrogénation localisée du graphane révèle des domaines en graphène se comportant comme des [[Boîte quantique|boîtes quantiques]], ouvrant ainsi une nouvelle voie dans la recherche de pointe sur les semi-conducteurs<ref>Abhishek K. Singh, Evgeni S. Penev and Boris I. Yakobson. Vacancy clusters in graphane as quantum-dots. ACS Nano, 2010, 4 (6), pp 3510–3514</ref>.

=== Stockage de données ===
Les capacités de magnétisation du graphane par simple désorption d’atomes d’hydrogène, en font un matériau convenant au stockage de données. L’arrachement d’atomes d’hydrogène en surface est déjà maîtrisé par diverses techniques (en utilisant un faisceau laser par exemple).

=== Problème de la "H-frustration" ===
Lors de ces études sur le graphane, l’expérimentateur peut rencontrer un problème important qui empêche actuellement la fabrication d’une feuille de graphane idéale. En effet, le recouvrement uniforme de la couche de graphène avec des atomes d’hydrogène pose un problème. L’hydrogénation n’est pas parfaitement ordonnée, mais les études théoriques révèlent un processus de croissance des domaines hydrogénés autour des quelques liaisons C-H initiales<ref>Sergio B. Legoas, Pedro A. S. Autreto, Marcelo Z. S. Flores, Douglas S. Galvao (2009). “Graphene to Graphane: The Role of H Frustration in Lattice Contraction”</ref>. Quand deux domaines se rencontrent, il peut arriver que le recouvrement devienne incompatible avec la succession de liaisons alternées de chaque côté du plan. On parle de « H-frustration ». Ainsi, au niveau des parois entre domaines, la structure est perturbée et le paramètre de maille diminue.
Ainsi, dès les premiers instants du processus d’hydrogénation, des incompatibilités de domaine sont présentes, et il est malheureusement très improbable qu’une feuille de graphane parfaite soit obtenue. Les frustrations seront toujours présentes.

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
{{Début de colonnes|nombre=3}}
* [[graphène]]
* [[graphyne]]
{{Fin de colonnes}}

=== Liens externes ===
{{...}}

=== Notes et références ===
{{Références}}

{{Palette|Carbone}}
{{Portail|Chimie|physique|matériaux}}

[[Catégorie:Forme du carbone]]
[[Catégorie:Matériau supraconducteur]]