Projet ANR-11-IS10-0003 – FUNGRAPH : Fabrication et applications des dispositifs de graphène fonctionnalisés
Programme : Blanc International II - SIMI 10 - Nanosciences (Blanc Inter II SIMI 10)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Bernard Doudin (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ALSACE)
Partenaires : Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg; Institut de Chimie de Strasbourg
Montant : 250000.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Fabrication et applications de dispositifs de graphène fonctionnalisésCe projet vise à synthétiser des couches mono-atomiques carbonées (graphène), puis à le fonctionnaliser, en le nanostructurant ou en le décorant au moyen de molécules dipolaires. Nous voulons tirer parti des propriétés électroniques remarquables du graphène pour tester si de telles structures peuvent être utilisés pour des applications de détection de gaz. 
Vers un détecteur de gaz à base de couches de graphèneLe graphène est un des matériaux les plus prometteurs, en vertu des ses propriétés de transport électrique, ses propriétés mécaniques et thermodynamiques. Un verrou industriel notable pour des applications à large échelle du graphène est la synthèse en grandes surfaces de ce matériau. La solution actuellement préférée est la déposition chimique sous vide en phase vapeur (CVD). Ce projet est une collaboration internationale avec un laboratoire Coréen ayant une expertise en synthèse CVD du graphène, et travaillant pour des applications de détection de molécules. Le partenaire français dispose des outils de nanofabrication et de connectique électrique pour le graphène. Il collabore étroitement avec le 2eme partenaire français, chimiste, dans l’étude de propriétés électriques de surfaces fonctionnalisées par des couches de molécules dipolaires. Nous voulons combiner les expertises des trois partenaires afin de créer des dispositifs à base des couches de graphène modifiées, chimiquement ou par structuration physique, afin d’améliorer l’accrochage des molécules à détecter. Nous voulons ensuite tester un changement de conduction électrique lors de l’exposition à de faibles concentrations moléculaires, dans l’espoir de réaliser des échantillons ayant une sensibilité remarquable.
Réalisation de graphène modifié optimiséLe graphène est un matériau attractif pour détecter électriquement l’adsorption de molécules grâce à sa bonne conductivité électrique et la haute sensibilité de la conductivité à la présence de molécules adsorbées. La difficulté essentielle est la faible réactivité chimique de couches de graphène. Nous proposons deux méthodes pour l’améliorer. La méthode ‘physique’ consiste à nanostructurer le graphène, afin de multiplier les atomes de carbone non saturés en termes de liaisons chimiques. La méthode ‘chimique’ consiste à tapisser la surface de graphène au moyen de molécules dipolaires, sans utiliser de liaisons chimiques fortes, pour fonctionnaliser chimiquement le graphène tout en préservant ses propriétés électriques. Enfin, il sera nécessaire de développer un connectique robuste et applicable à grande échelle sur du graphène produit par méthode CVD, afin de réaliser un grand nombre de dispositifs de détection.
Résumé de la soumission : Nous proposons d'étudier comment des films de graphène nanostructurés peuvent interagir avec des molécules. Le graphène est un conducteur parfait à deux dimensions avec une grande mobilité et grande surface. Une telle mobilité élevée en fait un candidat idéal pour des dispositifs électroniques, mais en raison de son gap  électronique nul, les applications en termes de dispositifs actifs sont limitées. Cependant, sa grande surface et son extrême sensibilité aux changements d’environnement électrostatique le rendent attrayant pour les applications en termes de capteurs. Dans ce projet, nous façonnons les propriétés chimiques et électroniques de couches de graphène exfolié et obtenu par CVD,  dans le but d’étudier dans quelle mesure  les propriétés électriques et optiques sont modifiées et deviennent sensibles à l'exposition aux molécules. Le partenaire coréen a de l'expérience dans la synthèse CVD et les biocapteurs à base de nanotubes de carbone. Les partenaires français ont une expérience dans les études fondamentales des propriétés optoélectroniques du graphène et la synthèse de molécules originales de caractère dipolaire. Notre projet vise à combiner ces compétences pour créer de nouveaux capteurs moléculaires à base de graphène. Une combinaison de nanofabrication, d’études fondamentales, et d’études d'adsorption chimique ouvriront la voie à de nouvelles possibilités d’applications en termes de capteurs d’agents chimiques et biochimiques.
Résultats : Nous espérons réaliser des couches de graphène fiables sur des grandes surfaces (un enjeu applicatif majeur), et mettre en place une méthodologie de création de dispositifs électriques pour créer des senseurs de gaz. 
Les approches de créations de couches de graphène permettant une sensibilité à la détection de molécules reste également à démontrer. Il faut également tester dans quelle mesure les propriétés électriques uniques du graphène sont préservées lorsque celui –ci est modifié pour détecter les molécules. Enfin, des tests de sensibilité doivent être entrepris.
Perspectives : La détection d’espèces chimiques volatiles ultra-sensible a des applications pour la sécurité, la lutte contre la pollution, et la lutte contre le terrorisme. Les nanotubes de carbone sont considérés comme des candidats très intéressants, mais ayant des limites en termes de courant électrique et de mise en œuvre à grande échelle. Les avantages du graphène restent à démonter, et il n’existe pas de solution immédiate. Nous espérons tester ainsi de nouveaux dispositifs à grande potentialité.
Publications et brevets : A ce jour, 3 publications et 2 présentations a des conférences internationales inter-partenaires ont eu lieu