Caractérisation métrologique pluridisciplinaire de matériaux et produits à base de graphène

• Améliorer les capacités de mesures du laboratoire en relevant les défis de mesures posés par leurs propriétés exceptionnelles (métrologie avancée)
• Développer des méthodes de validation d’instruments de mesure en réponse aux besoins de métrologie dans le domaine, en lien avec la normalisation et la certification.

Les premières mises en évidence expérimentales de ses propriétés physico-chimiques datent de 2004. Elles ont valu à leurs auteurs, A. K. Geim et K. S. Novoselov, le prix Nobel de Physique 2010. En effet, le graphène présente des propriétés exceptionnelles :

• une épaisseur ultime d’un seul atome (le graphène est parmi les matériaux les plus fins de l’univers),
• extrêmement léger,
• 200 fois plus résistant/solide que l’acier,
• imperméable aux gaz,
• flexible,
• transparent à 97,7 % pour le rayonnement visible,
• excellent conducteur électrique offrant des porteurs de charge d’une mobilité record, et capable de transporter des densités de courant 106 fois supérieures à celles admissibles par le cuivre,
• excellent conducteur thermique, présentant la conductivité thermique la plus élevée enregistrée aujourd’hui.

Les applications du graphène exploitent souvent plusieurs propriétés de ce matériau très polyvalent. C’est le cas, par exemple, de l’écran tactile souple à base de graphène qui exploiterait à la fois les propriétés mécaniques (flexibilité et résistance), optique (transparence dans le visible) et électrique (conductivité élevée) du matériau.

Les besoins de métrologie du graphène - protocoles de mesures fiables et traçables au SI et instrumentation adaptée - sont présents tout le long de la chaîne de valeur : production de matériaux de haute-qualité avec des propriétés contrôlées et reproductibles, exploitation de ces propriétés dans des dispositifs, développement de la technologie et son transfert, industrialisation et commercialisation de produits innovants. Au-delà de la caractérisation des propriétés physico-chimique des matériaux et des performances des dispositifs, les besoins de mesure concernent aussi l’évaluation du cycle de vie avec l’objectif d’une innovation responsable. Au vu de la variété des matériaux apparentés au graphène et de la variété de leurs propriétés et de leurs combinaisons, leur caractérisation constitue un vaste champ pluridisciplinaire.

La présence réelle de graphène dans les produits commercialisés, et donc leur avantage concurrentiel prétendu, peuvent être remis en cause. Aujourd’hui, l’utilisation du mot graphène peut encore relever d’un abus de langage commercial, le terme graphite serait plus approprié. La nécessité de l’analyse des produits commercialisés par un laboratoire indépendant et celle de la normalisation et de la législation sur l’emploi du vocabulaire est évidente.

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Le projet GRAAL « Caractérisation métrologique pluridisciplinaire de matériaux et produits à base de graphène » entendait exploiter et adapter les techniques et méthodes de mesure développées respectivement dans différents projets internes au LNE, autour de la caractérisation des matériaux et produits à base de graphène. Au-delà, il visait à agréger, coordonner, assurer la cohérence et soutenir scientifiquement les participations du LNE aux différentes initiatives dans le domaine, notamment dans le cadre du Graphene Flagship.

Le projet a démontré la pertinence et l’applicabilité de nombreuses techniques, demandant un niveau d’expertise élevé, mais également des techniques déjà normalisées telles que des tests Charpy, des titrages acide/base, ou encore des déterminations de coefficient de dilation thermique. Pour la première fois, une méthode de microscopie corrélative a été proposée sur un objet unique c’est-à-dire un feuillet d’oxyde de graphène, en tenant compte de la dégradation de l’objet sous étude.

Les analyses avec un spectromètre Raman ont permis d’avancer sur l’étude métrologique des propriétés du graphène (structurelles/ nombre de couches) en faisant dans un premier temps varier la puissance d’acquisition des spectres.

Plusieurs codes sur logiciel Matlab ont été développés dans le cadre de ce projet : un code permettant l’obtention l’épaisseur des couches, un autre code permettant la normalisation, la soustraction du fond des spectres de graphène et matériaux relatifs (GRM).

L’équipe a par ailleurs participé à la relecture et à l’élaboration de la future norme ISO/TS 23879:202#(X), « Nanotechnologies – Structural characterization of graphene oxide flakes: lateral size and thickness measurement using SEM and AFM ».

• Amélioration des capacités de mesures (extension des chaines de traçabilités au-delà des limites actuelles)
• Réalisation d’étalons et matériaux de référence à base de graphène
• Exploitation des résultats obtenus pour les matériaux à base de graphène pour la caractérisation de matériaux 2D, très porteurs en termes d’applications
• Soutien actif à la structuration de la filière industrielle graphène
• Possible support aux études toxicologiques (santé) et cycle de vie (environnement) des matériaux à base de graphène.
• Offre aux producteurs ou consommateurs finaux des tests comparatifs (benchmarks) des matériaux et produits à base de graphène

T. Bu et al., “Thickness measurements of graphene oxide flakes using atomic force microscopy: results of an international interlaboratory comparison,” Nanotechnology, vol. 34, no. 22, p. 225702, 2023, doi: 10.1088/1361-6528/acbf58

Graphene Flagship Validation center

C2N (Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies)

CIRIMAT