1. Circuits intégrés
Le graphène possède des propriétés intéressantes pour un excellent circuit intégré électronique : mobilité élevée des porteurs et faible bruit. En 2011, IBM a réussi à créer le premier circuit intégré à base de graphène : un mélangeur sans fil haut débit, capable de gérer des fréquences allant jusqu'à 10 GHz et dont les performances restent inchangées à des températures allant jusqu'à 127 °C. Les nanorubans de graphène présentent des caractéristiques de conductivité électrique et thermique élevées et de faible bruit. Ils constituent un matériau d'interconnexion de choix pour les circuits intégrés et pourraient remplacer le cuivre métallique. Certains chercheurs ont tenté de fabriquer des boîtes quantiques à partir de nanorubans de graphène. Ils modifient la largeur des nanorubans à des endroits précis pour former un confinement quantique. La structure basse dimensionnelle des nanorubans de graphène possède des propriétés optoélectroniques très importantes : inversion de population et gain optique haut débit. Ces excellentes qualités permettent de placer des nanorubans de graphène dans des microcavités ou des nanocavités pour former des lasers et des amplificateurs. Des études ont montré que les nanorubans de graphène peuvent être appliqués aux systèmes de communication optique et que des lasers à nanorubans de graphène peuvent être développés.
2. Transistors en graphène
En 2005, les groupes de recherche de Geim et de Kim ont découvert que le graphène présente une mobilité des porteurs élevée, dix fois supérieure à celle des plaquettes de silicium commerciales à température ambiante, et qu'il est peu affecté par la température et les effets du dopage, avec des valeurs inférieures au micron à température ambiante. Les propriétés de transport balistique (jusqu'à 0,3 m à 300 K), principal avantage du graphène en tant que dispositif nanoélectronique, rendent les transistors à effet de champ balistique à température ambiante très attractifs pour l'ingénierie électronique. La vitesse de Fermi plus élevée et la faible résistance de contact contribuent à réduire encore le temps de commutation du dispositif, et les caractéristiques de réponse opérationnelle à ultra-haute fréquence constituent un autre avantage significatif des dispositifs électroniques à base de graphène. Grâce aux technologies modernes, les nanofils de graphène pourraient s'avérer généralement capables de remplacer le silicium comme semi-conducteur.
3. Électrodes conductrices transparentes
Les excellentes propriétés de conductivité électrique et de transmission lumineuse du graphène lui confèrent de très bonnes perspectives d'application dans les électrodes conductrices transparentes. Les écrans tactiles, les écrans à cristaux liquides, les cellules photovoltaïques organiques, les diodes électroluminescentes organiques, etc., nécessitent tous des matériaux d'électrodes conducteurs transparents de qualité. En particulier, la résistance mécanique, la flexibilité et la transmission lumineuse du graphène sont supérieures à celles de l'oxyde d'étain-indium, un matériau couramment utilisé. Le dépôt chimique en phase vapeur permet de fabriquer un film de graphène polycouche transparent, continu, de grande surface et à haute conductivité. Il est principalement utilisé dans les anodes des dispositifs photovoltaïques et atteint un rendement de conversion énergétique allant jusqu'à 1,71 % ; comparé à l'élément fabriqué, son rendement de conversion énergétique est d'environ 55,2 %.
4. Matériau conducteur thermique/matériau d'interface thermique
Des études ont montré que la conductivité thermique (K) du graphène à température ambiante dépassait la limite du graphite massif (2 000 W/m•K), des nanotubes de carbone (3 000 à 3 500 W/m•K) et des diamants. Elle atteint 5 300 W/m•K, dépassant de loin celle des matériaux métalliques tels que l'argent (429 W/m•K) et le cuivre (401 W/m•K). Ses excellentes propriétés de conductivité thermique et mécaniques confèrent au graphène un fort potentiel de développement dans le domaine de la gestion thermique. Les films à base de graphène peuvent être utilisés comme matériaux de dissipation thermique flexibles pour répondre aux exigences des éclairages LED haute puissance, des ordinateurs, des circuits satellites, des armes laser et des équipements terminaux portables. Exigences thermiques pour les systèmes intégrés. Ces résultats de recherche ouvrent de nouvelles perspectives pour la conception de composites carbone/carbone intégrés structurels/fonctionnels.
5. Capteurs
La structure bidimensionnelle unique du graphène lui confère d'excellentes perspectives d'application dans le domaine des capteurs. Sa grande surface le rend si sensible à l'environnement qu'il permet même de détecter l'adsorption ou la libération d'une molécule de gaz. Cette détection peut actuellement être divisée en détection directe et détection indirecte. Les processus d'adsorption et de libération d'atomes individuels peuvent être observés directement par microscopie électronique à transmission. Ils peuvent être détectés indirectement par la mesure de l'effet Hall. Lorsqu'une molécule de gaz est adsorbée à la surface du graphène, une variation locale de résistance se produit au site d'adsorption. Bien sûr, cet effet se produit également dans d'autres substances, mais le graphène présente l'avantage d'une conductivité élevée et d'un faible bruit, ce qui permet de détecter cette faible variation de résistance.
6. Supercondensateurs et batteries lithium-ion
Grâce à son rapport surface/masse exceptionnellement élevé, le graphène peut être utilisé comme électrode conductrice pour les supercondensateurs. Les scientifiques estiment que la densité énergétique de ces supercondensateurs sera supérieure à celle des condensateurs existants. Grâce à sa bonne conductivité et à sa grande surface spécifique, le graphène peut être largement utilisé dans les batteries lithium-ion : il peut être utilisé directement comme électrode négative, ou être associé à du SnO₂, du Si et d'autres matériaux. La modification du graphène peut réduire efficacement le temps de charge des batteries Li-ion et en augmenter la densité de puissance.
