Graphène, un réseau d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome, est souvent présenté comme un matériau révolutionnaire qui remplacera le silicium au cœur de l'électronique. La vitesse inégalée à laquelle il peut déplacer des électrons, plus son facteur de forme essentiellement bidimensionnel, en faire une alternative attractive, mais plusieurs obstacles à son adoption demeurent.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Pennsylvanie; Université de Californie, Berkeley; et l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a fait des progrès dans la résolution d'un de ces obstacles. En démontrant une nouvelle façon de changer la quantité d'électrons qui résident dans une région donnée au sein d'un morceau de graphène, ils ont une preuve de principe dans la fabrication des blocs de construction fondamentaux des dispositifs à semi-conducteurs en utilisant le matériau 2-D.

De plus, leur méthode permet d'accorder cette valeur par application d'un champ électrique, ce qui signifie que les éléments de circuit de graphène fabriqués de cette manière pourraient un jour être "recâblés" dynamiquement sans altérer physiquement l'appareil.

L'étude était une collaboration entre les groupes d'Andrew Rappe à Penn, Lane Martin à UC Berkeley et Moonsub Shim à Illinois.

Il a été publié dans la revue Communication Nature .

Le silicium est utilisé pour fabriquer des éléments de circuit car sa densité de porteurs de charge, le nombre d'électrons libres qu'il contient, peut être facilement augmenté ou diminué en ajoutant des impuretés chimiques. Ce processus de "dopage" conduit à des semi-conducteurs "de type p" et "de type n", silicium qui a des porteurs de charge plus positifs ou plus négatifs.

Les jonctions entre les semi-conducteurs de type p et n sont les éléments constitutifs des dispositifs électroniques. Assembler dans l'ordre, ces jonctions p-n forment des transistors, qui peuvent à leur tour être combinés en circuits intégrés, puces et processeurs.

Le dopage chimique du graphène pour obtenir une version de type p et n du matériau est possible, mais cela signifie sacrifier certaines de ses propriétés électriques uniques. Un effet similaire est possible en appliquant des changements de tension locaux au matériau, mais la fabrication et le placement des électrodes nécessaires annulent les avantages offerts par le facteur de forme du graphène.

"Nous avons mis au point un système non destructif, dopage réversible, " Rappé a dit, "cela n'implique aucune modification physique du graphène."

La technique de l'équipe consiste à déposer une couche de graphène pour qu'elle repose dessus, mais ne se lie pas à, un deuxième matériau :le niobate de lithium. Le niobate de lithium est ferroélectrique, ce qui signifie qu'il est polaire, et ses surfaces ont une charge positive ou négative. L'application d'une impulsion de champ électrique peut changer le signe des charges de surface.

"C'est une situation instable, " Rappé a dit, "en ce que la surface chargée positivement voudra accumuler des charges négatives et vice versa. Pour résoudre ce déséquilibre, vous pourriez faire entrer d'autres ions et se lier ou faire perdre ou gagner des électrons à l'oxyde pour annuler ces charges, mais nous avons trouvé une troisième voie.

"Ici, nous avons du graphène en attente, à la surface de l'oxyde mais sans s'y lier. Maintenant, si la surface de l'oxyde dit, 'J'aimerais avoir plus de charges négatives, ' au lieu de l'oxyde recueillant des ions de l'environnement ou gagnant des électrons, le graphène dit 'Je peux garder les électrons pour toi, et ils seront juste à côté.'"

Rappe a suggéré d'utiliser du niobate de lithium, car il est déjà couramment utilisé en ingénierie optique et possède des propriétés qui se prêteraient à la création de jonctions p-n. Les chercheurs ont profité du fait qu'un certain type de matériau, niobate de lithium périodiquement polarisé, est fabriqué de telle sorte qu'il comporte des "rayures" de régions polaires qui alternent entre positif et négatif.

« Parce que les domaines de niobate de lithium peuvent dicter les propriétés, " Shim dit, « différentes régions du graphène peuvent revêtir un caractère différent en fonction de la nature du domaine sous-jacent. Cela permet, comme nous l'avons démontré, un moyen simple de créer une jonction p-n ou même un réseau de jonctions p-n sur un seul flocon de graphène. Une telle capacité devrait faciliter les progrès du graphène qui pourraient être analogues à ce que les jonctions p-n et les circuits complémentaires ont fait pour l'électronique à semi-conducteurs de pointe actuelle.

"Ce qui est encore plus excitant, c'est l'activation de l'optoélectronique utilisant le graphène et la possibilité de guidage d'ondes, lentillant et manipulant périodiquement des électrons confinés dans un matériau atomiquement mince."

Leurs expériences impliquaient également d'ajouter une seule porte à l'appareil, ce qui a permis d'ajuster davantage sa densité globale de porteurs par l'application de différentes tensions.

En tenant compte de la façon dont l'oxyde équilibre lui-même ses charges de surface, ou en liant les ions de la solution aqueuse, les chercheurs ont pu montrer la relation entre la polarisation de l'oxyde et la densité de porteurs de charge du graphène suspendu au-dessus.

Et parce que la polarisation de l'oxyde peut être facilement modifiée, le type et l'étendue du dopage au graphène pris en charge peuvent être modifiés en même temps.

"Vous pourriez venir avec une pointe qui produit un certain champ électrique, et juste en le mettant près de l'oxyde vous pourriez changer sa polarité, " Martin a dit. "Vous écrivez un domaine 'up' ou un domaine 'down' dans la région que vous voulez, et la densité de charge du graphène refléterait ce changement. Vous pouvez créer le graphène sur cette région de type p ou de type n, et, si tu changes d'avis, vous pouvez l'effacer et recommencer."

Cette capacité représenterait un avantage par rapport aux semi-conducteurs dopés chimiquement. Une fois que les impuretés atomiques sont mélangées au matériau pour modifier sa densité de porteurs, ils ne peuvent pas être supprimés. Des recherches futures étudieront la faisabilité de concevoir des dispositifs semi-conducteurs dynamiques avec cette technique.

"Nous ne pouvons pas le faire actuellement, mais c'est la direction que nous voulons prendre, " Rappé a dit, "Il y a des oxydes qui peuvent être repolarisés à l'échelle de la nanoseconde, vous pouvez donc apporter des modifications vraiment dynamiques si vous en avez besoin. Cela ouvre beaucoup de possibilités."