Le graphène émet de la lumière au-delà de l’incandescence : une percée dans l’électroluminescence infrarouge des matériaux 2D

LPENS Brève histoire du rôle du carbone dans les sources radiatives : de la suie des bougies à l’électroluminescence du graphène. © Emmanuel Baudin


Pour la première fois, des chercheurs français, dont une équipe de l’Institut Langevin, ont observé un phénomène jusqu’ici jugé improbable : de l’électroluminescence dans du graphène. Ce matériau ultra-fin, déjà célèbre pour ses propriétés électroniques hors norme, est pourtant un semi-métal sans bande interdite – en théorie incapable d’émettre de la lumière comme le ferait une diode électroluminescente. Et pourtant, lorsqu’on le soumet à une forte tension électrique, le graphène rayonne… bien au-delà de son incandescence naturelle. Publiée dans la revue Nature, cette découverte majeure bouleverse notre compréhension des interactions lumière-matière dans les matériaux bidimensionnels.

Les expériences, menées au Laboratoire de Physique de l’École Normale Supérieure (LPENS), s’appuient sur des dispositifs nanométriques conçus pour fonctionner à température ambiante. En appliquant une tension électrique entre deux électrodes métalliques déposées sur du graphène encapsulé dans du nitrure de bore hexagonal (hBN), les chercheurs du LPENS ont initialement observé des anomalies dans les propriétés de transport électrique signalant de façon indirecte un phénomène particulier d’ électroluminescence.

Cette première observation a donné naissance à une collaboration très stimulante visant à observer de façon directe le phénomène à l’aide de techniques infrarouges ultra-sensibles développées à l’Institut Langevin. Les travaux menés ont permis de montrer que les anomalies observées dans le transport électrique étaient concomitantes avec une émission infrarouge intense, bien distincte du rayonnement thermique associé à la dissipation du courant en chaleur.

Cette émission, étudiée en détail avec un important consortium, résulte d’un mécanisme d’effet tunnel interbande. En clair, les électrons sont injectés dans le graphène avec une énergie suffisante pour produire un rayonnement lumineux, sans passer par une recombinaison classique comme dans les semi-conducteurs. Un comportement très inattendu pour un matériau « sans bande interdite ».

Mais ce n’est pas tout. L’étude révèle que l’émission lumineuse infrarouge est associée à un transfert radiatif d’énergie extrêmement efficace entre le graphène et son environnement immédiat, le hBN. Jusqu’à 75 % de la puissance électrique injectée est transférée par couplage électromagnétique à ce matériau aux propriétés diélectriques très particulières dans l’infrarouge . Ce transfert dépend fortement de la structure cristalline du hBN, ouvrant la voie à un contrôle fin de l’émission optique via l’ingénierie du substrat.

L’ensemble de ces résultats marque une avancée décisive dans la compréhension des sources radiatives dans les matériaux 2D. La collaboration entre plusieurs laboratoires français (LPENS, Institut Langevin, ONERA, LMI à l’INSA Lyon, et le Laboratoire Charles Fabry) aboutit ici à une preuve expérimentale que l’on peut créer des dispositifs électroluminescents à base de graphène, à faible encombrement, et potentiellement accordables sur une large gamme de longueurs d’onde infrarouges.

Une perspective prometteuse, notamment dans le domaine des capteurs, de la spectroscopie ou des communications optiques en infrarouge, où les sources compactes et efficaces restent aujourd’hui très limitées. L’électroluminescence du graphène pourrait donc bien devenir un nouvel outil clé dans l’arsenal des technologies photoniques de demain.

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Contacts :
Yannick De Wilde :
Emmanuel Baudin :

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Références
Abou-Hamdan, L., Schmitt, A., Bretel, R. et al. Electroluminescence and energy transfer mediated by hyperbolic polaritons. Nature 639, 909–914 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08627-6