(PhysOrg.com) -- Les chercheurs ont développé une méthode pour créer des matrices monocristallines d'un matériau appelé graphène, une avancée qui ouvre la possibilité d'un remplacement du silicium dans les ordinateurs et l'électronique haute performance.

Le graphène est une couche de carbone d'un atome d'épaisseur qui conduit l'électricité avec peu de résistance ou de génération de chaleur. Les réseaux pourraient rendre possible une nouvelle classe de transistors à grande vitesse et de circuits intégrés qui consomment moins d'énergie que l'électronique au silicium conventionnelle.

Les nouvelles découvertes représentent une avancée vers le perfectionnement d'un procédé de fabrication de grandes quantités de monocristaux du matériau, similaire à la production de plaquettes de silicium.

"Le graphène n'est pas encore là, en termes de production de masse de haute qualité comme le silicium, mais c'est un pas très important dans cette direction, " a déclaré Yong P. Chen, auteur correspondant de la nouvelle étude et professeur adjoint de la famille Miller de nanosciences et de physique à l'Université Purdue.

D'autres chercheurs ont fait pousser des monocristaux de graphène, mais aucun autre n'a démontré comment créer des tableaux ordonnés, ou des modèles qui pourraient être utilisés pour fabriquer des appareils électroniques commerciaux et des circuits intégrés.

Les monocristaux hexagonaux sont initiés à partir de "graines" de graphite, puis cultivés sur une feuille de cuivre à l'intérieur d'une chambre contenant du méthane à l'aide d'un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur. La méthode de croissance par semis, critique pour les nouvelles découvertes, a été inventé par Qingkai Yu, co-auteur de l'étude et professeur adjoint à l'Ingram School of Engineering de la Texas State University.

"En utilisant ces graines, nous pouvons faire croître un ensemble ordonné de milliers ou de millions de monocristaux de graphène, " dit Yu, qui a été le pionnier de la méthode alors qu'il était chercheur à l'Université de Houston. "Nous espérons que l'industrie examinera ces résultats et considérera les matrices commandées comme un moyen possible de fabriquer des appareils électroniques."

Les résultats sont détaillés dans un document de recherche publié en ligne cette semaine et dans le numéro de juin de Matériaux naturels . Le travail a été mené par des chercheurs de Purdue, l'Université de Houston, Université d'État du Texas, Laboratoire national de Brookhaven, Argonne National Laboratories et Carl Zeiss SMT Inc.

Le graphène est actuellement créé dans des feuilles « polycristallines » constituées de « grains » placés de manière aléatoire et de forme irrégulière fusionnés. Avoir un tableau ordonné signifie que les positions de chaque cristal sont prévisibles, et non aléatoires car ils sont en film polycristallin.

Les réseaux permettent aux chercheurs de positionner avec précision les appareils électroniques dans chaque grain, qui est un monocristal ayant une structure en treillis sans soudure qui améliore les propriétés électriques, dit Eric Stach, chercheur à Brookhaven et ancien professeur Purdue en génie des matériaux.

Les nouveaux résultats de la recherche ont confirmé une théorie selon laquelle le flux d'électrons est entravé au point où un grain rencontre un autre. Les réseaux de grains monocristallins pourraient éliminer ce problème.

Les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient contrôler la croissance des réseaux ordonnés; ont été les premiers à démontrer les propriétés électroniques des joints de grains individuels; et ils ont constaté que les bords d'un seul grain de cristal hexagonal sont parallèles à des directions bien définies dans le réseau atomique du graphène, révélant l'orientation de chaque cristal.

Connaître l'orientation est nécessaire pour mesurer les propriétés précises des cristaux, fournir les informations nécessaires pour créer de meilleurs appareils électroniques. Pour déterminer l'orientation du réseau de graphène, les chercheurs ont utilisé deux types de techniques de microscopie avancées connues sous le nom de microscopie électronique à transmission et de microscopie à effet tunnel. Les techniques ont fourni des images à très haute résolution d'atomes de carbone individuels constituant le graphène.

Les propriétés électroniques à travers les joints de grains ont été mesurées à l'aide de minuscules électrodes connectées à deux grains adjacents.

Les résultats ont démontré une résistance électrique plus élevée aux joints de grains et ont également montré que les joints entravent la conduction électrique en raison de la diffusion des électrons. Cette découverte a été corrélée à l'aide d'une autre technique appelée spectroscopie Raman.

L'article a été rédigé par Luis A. Jauregui, étudiant diplômé de Yu et Purdue, Wei Wu, étudiant diplômé de Houston, Robert Colby, étudiant diplômé de Purdue, Jifa Tian, ​​chercheur postdoctoral de Purdue, avec 12 autres chercheurs dont Stach et Chen.