(Phys.org)—Utilisation du graphène - soit comme alternative à, ou très probablement comme matériau complémentaire avec – du silicium, offre la promesse d'une future électronique beaucoup plus rapide, ainsi que plusieurs autres avantages par rapport au semi-conducteur couramment utilisé. Cependant, créer les feuilles de carbone d'un atome d'épaisseur connues sous le nom de graphène d'une manière qui pourrait être facilement intégrée dans les méthodes de production de masse s'est avéré difficile.

Lorsque le graphène est cultivé, des réseaux de grains de carbone se forment de manière aléatoire, reliés entre eux à différents angles d'orientation dans un réseau hexagonal. Cependant, lorsque ces orientations se désalignent au cours du processus de croissance, des défauts appelés joints de grains (GB) se forment. Ces frontières dispersent le flux d'électrons dans le graphène, un fait qui est préjudiciable à ses performances électroniques réussies.

Les chercheurs Joe Lyding et Eric Pop de l'Institut Beckman de l'Université de l'Illinois et leurs groupes de recherche ont maintenant donné un nouvel aperçu du comportement électronique du graphène avec des joints de grains qui pourraient guider les méthodes de fabrication vers la réduction de leur effet. Les chercheurs ont cultivé du graphène polycristallin par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), en utilisant la microscopie à effet tunnel et la spectroscopie pour l'analyse, d'examiner à l'échelle atomique les joints de grains sur une plaquette de silicium. Ils ont rapporté leurs résultats dans le journal ACS Nano .

"Nous avons obtenu des informations sur la diffusion des électrons aux frontières qui montrent qu'elle limite considérablement les performances électroniques par rapport au graphène sans joint de grain, " Lyding a déclaré. " Les limites des grains se forment pendant la croissance du graphène par CVD, et, alors qu'il y a beaucoup d'efforts mondiaux pour minimiser l'apparition de joints de grains, ils sont une réalité pour l'instant.

"Pour l'électronique, vous voudriez pouvoir le faire à l'échelle d'une plaquette. Le graphène sans frontière est un objectif clé. En attendant, nous devons vivre avec les joints de grains, donc les comprendre est ce que nous essayons de faire."

Lyding a comparé des réseaux de graphène fabriqués avec la méthode CVD à des morceaux d'une clôture cyclonique.

« Si vous aviez deux morceaux de clôture, et tu les as posés par terre l'un à côté de l'autre mais ils n'étaient pas parfaitement alignés, alors ils ne correspondraient pas, " dit-il. " C'est un joint de grain, où le treillis ne correspond pas."

La recherche impliquait le groupe de Pop, dirigé par le boursier Beckman Josh Wood, cultiver le graphène au Micro and Nanotechnology Lab, et transférer les films minces sur une plaquette de silicium (Si02). Ils ont ensuite utilisé le STM de Beckman développé par Lyding pour l'analyse, dirigé par le premier auteur Justin Koepke du groupe de Lyding.

Leur analyse a montré que lorsque l'itinéraire des électrons les amène à un joint de grain, c'est comme, Lyding a dit, heurter une colline.

"Les électrons ont heurté cette colline, ils rebondissent, ils interfèrent avec eux-mêmes et vous voyez en fait un modèle d'onde stationnaire, " a-t-il dit. " C'est une barrière donc ils doivent monter et franchir cette colline. Comme toute autre chose, cela va les ralentir. C'est ce que Justin a pu mesurer avec ces mesures de spectroscopie.

"Fondamentalement, un joint de grain est une résistance en série avec un conducteur. C'est toujours mauvais. Cela signifie qu'il faudra plus de temps à un électron pour aller du point A au point B avec une certaine tension appliquée."

Les images de la STM révèlent des joints de grains qui suggèrent deux morceaux de tissu cousus ensemble, Lyding a dit, par "un très mauvais tailleur".

Dans le journal, les chercheurs ont pu rendre compte de leur analyse des angles d'orientation entre les morceaux de graphène au fur et à mesure qu'ils grandissaient ensemble, et n'a trouvé "pas d'angle d'orientation préférentiel entre les grains, et les GB sont continus à travers les rides du graphène et la topographie Si02. » Ils ont rapporté que l'analyse de ces modèles « indique que la rétrodiffusion et la diffusion par intervalles sont les mécanismes dominants responsables de la réduction de la mobilité en présence de GB dans le graphène cultivé par CVD. »

Lyding a déclaré que la relation entre l'angle d'orientation des morceaux de graphène et la longueur d'onde d'un électron empiète sur le mouvement de l'électron à la frontière des grains, entraînant des variations dans leur diffusion.

"Plus de diffusion signifie qu'il est plus difficile pour un électron de passer d'un grain à l'autre, " dit-il. " Plus tu rends ça difficile, plus la qualité des performances électroniques de tout appareil fabriqué à partir de ce graphène est faible."

Les travaux des chercheurs ne visent pas seulement à comprendre, mais aussi au contrôle des joints de grains. L'une de leurs découvertes - que les GB sont apériodiques - a répliqué d'autres travaux et pourrait avoir des implications pour les contrôler, comme ils l'ont écrit dans l'article :« La combinaison des résultats spectroscopiques et de diffusion suggère que les GB qui sont plus périodiques et bien ordonnés conduisent à une diffusion réduite des GB. »

"Je pense que si vous devez vivre avec des joints de grains, vous aimeriez pouvoir contrôler exactement leur orientation et choisir un angle qui minimise la diffusion, " dit Lyding.