Un jour par ailleurs normal dans le laboratoire, Eva Andrei ne s'attendait pas à faire une découverte majeure. Andreï, professeur de physique à l'université Rutgers, utilisait du graphite – le matériau des crayons – pour calibrer un microscope à effet tunnel. Dans le cadre du processus, elle a allumé un champ magnétique très puissant. Lorsqu'elle leva les yeux pour voir le spectre électronique du matériau, elle était étonnée. "Nous avons vu énorme, de beaux sommets là-haut, juste incroyable. Et ils n'avaient aucun sens, " se souvient-elle.

Se souvenant d'une conférence à laquelle elle avait assisté récemment, elle s'est rendu compte que le graphite s'était séparé en feuilles d'un atome d'épaisseur seulement. Ce materiel, connu sous le nom de graphène, a des propriétés électroniques bizarres. Mais même pour le graphène, le spectre qu'elle a vu était étrange. En réalité, personne n'avait jamais rien vu de tel auparavant. Comme Andrei l'a décrit, son collègue "est devenu fou furieux dans le couloir et a juste crié" graphène ! "" Andrei avait fait une découverte fortuite - un nouveau phénomène électrique.

Ce n'était ni la première ni la dernière fois que le mouvement des électrons dans le graphène surprenait et exaltait les scientifiques. L'une des choses les plus impressionnantes à propos du graphène est la vitesse à laquelle les électrons le traversent. Ils le traversent plus de 100 fois plus vite qu'ils ne le font à travers le silicium utilisé pour fabriquer des puces informatiques. En théorie, cela suggère que les fabricants pourraient utiliser le graphène pour fabriquer des transistors ultrarapides plus rapidement, plus mince, des écrans tactiles plus puissants, électronique, et des cellules solaires.

Mais ce qui rend le graphène si étonnant entrave également son utilisation :les électrons traversent trop facilement sa structure en nid d'abeille. Contrairement au silicium, le graphène n'a pas de bande interdite. Les bandes interdites sont la quantité d'énergie qu'un électron doit gagner pour se libérer d'un atome et se déplacer vers d'autres atomes pour conduire un courant. Comme un péage sur une autoroute, les électrons doivent « payer » avec de l'énergie pour continuer. Les appareils électroniques utilisent des bandes interdites comme portes pour contrôler où et quand les électrons circulent. Manquant de bandes interdites, La structure du graphène agit comme une autoroute à électrons sans panneaux d'arrêt.

« Les électrons du graphène sont si sauvages et ne peuvent pas être apprivoisés ; il est difficile de créer un espace, " a déclaré Andreï.

Cette absence de bande interdite rend le graphène actuellement très difficile à utiliser dans l'électronique moderne. Des chercheurs soutenus par le bureau des sciences du ministère de l'Énergie (DOE) étudient des moyens de surmonter ce défi et d'autres pour diriger le trafic d'électrons du graphène.

Des électrons se comportant comme des particules de lumière

Les matériaux qui n'ont que quelques atomes d'épaisseur agissent fondamentalement différemment des plus grandes quantités du même matériau.

"Le plus grand défi est d'avoir une compréhension fiable des propriétés des matériaux, " dit Lilia Woods, professeur de physique à l'Université de Floride du Sud.

Même pour un matériau aussi plat, le graphène a des caractéristiques étranges. Dans la plupart des matériaux, les électrons se déplacent à des vitesses différentes. Mais dans le graphène, ils se déplacent tous à la même vitesse. En réalité, les électrons du graphène agissent comme s'ils n'avaient pas de masse - comme des particules de lumière. C'est l'une des raisons pour lesquelles les électrons se déplacent si vite et sont si difficiles à contrôler.

Diriger le trafic électronique

Étudier le comportement du graphène est une chose. Trouver comment le manipuler en est une autre. Les scientifiques ont étudié plusieurs manières différentes de contrôler les électrons du graphène :développer des nanorubans, l'étirer, en l'associant au nitrure de bore (un autre matériau à hauteur d'atome), et en appliquant des charges électriques aux espaces vides. Les scientifiques poursuivent des approches multiples parce qu'ils ne savent pas laquelle fonctionnera le mieux. En attendant, chaque approche fournit sa propre vision unique des propriétés de base du graphène.

Nanorubans de graphène

La production de nanorubans de graphène est un moyen de fabriquer un matériau déjà incroyablement mince, encore plus maigre. Ces rubans conservent de nombreuses caractéristiques positives du graphène tout en donnant potentiellement aux scientifiques un meilleur contrôle sur le comportement des électrons, y compris la création de bandes interdites.

"Vous pouvez voir ces petits rubans comme des éléments de circuits électroniques, " a déclaré Michael Crommie, un physicien au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE (Berkeley Lab).

L'étude des nanorubans a commencé avant même que les scientifiques n'entrent dans le laboratoire. Sur la base de calculs, les physiciens ont théorisé il y a plus de dix ans que les nanorubans pourraient offrir de nouvelles façons de manipuler les propriétés électroniques du graphène. Les expérimentateurs ont confirmé cette idée en développant des nanorubans avec des bords nets.

Par exemple, des chercheurs de l'Université du Wisconsin et d'ailleurs ont développé des nanorubans de graphène qui affichaient une bande interdite. Ils ont montré que lorsque la largeur d'un nanoruban est inférieure à trois nanomètres, de l'épaisseur d'un brin d'ADN, il développe une bande interdite importante. Il devient également un semi-conducteur. Contrairement à l'autoroute électronique du graphène, les semi-conducteurs peuvent basculer entre la conduction de l'électricité ou non. Plus le ruban est étroit, plus l'écart ou le « bilan énergétique » dont les électrons ont besoin est grand.

Mais un défi est de savoir comment fabriquer un seul nanoruban qui a plusieurs largeurs et donc des régions avec des bandes interdites différentes. Des nanorubans d'une seule largeur ne donneront pas aux scientifiques le niveau de contrôle nécessaire pour concevoir des circuits complexes. Pour résoudre ce problème, Les scientifiques de Berkeley Lab ont fusionné des segments de ruban de différentes largeurs. Cette « ingénierie de la bande interdite » est essentielle à la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs et constitue un grand pas vers l'utilisation du graphène dans les circuits.

Ces nanorubans ne peuvent pas être utilisés seuls, les scientifiques étudient donc actuellement comment les nanorubans interagissent avec différentes surfaces. Des chercheurs de l'Université de Floride du Sud ont étudié des nanorubans de graphène sur des substrats de carbure de silicium (SiC). Ils ont découvert que la façon dont certains bords des nanorubans se fixent au substrat SiC influence la bande interdite. Des nanorubans avec des largeurs et des bords différents ancrés sur différents substrats peuvent permettre aux scientifiques de mieux contrôler les propriétés des électrons que les nanorubans qui ne sont pas du tout ancrés.

Étirement du graphène

L'étirement du graphène offre une voie alternative pour contrôler ses propriétés. Lorsque les scientifiques étirent le graphène d'une manière spécifique, il forme de minuscules bulles dans lesquelles les électrons agissent comme s'ils étaient en réalité dans un champ magnétique très puissant. Ces bulles offrent aux scientifiques de nouvelles opportunités pour manipuler le trafic électronique dans le graphène.

Cette découverte était aussi un accident complet. Une équipe de Berkeley Lab a fait croître une couche de graphène à la surface d'un cristal de platine dans une chambre à vide. Alors que les chercheurs testaient le graphène, ils ont remarqué que ses électrons agissaient étrangement. Plutôt que de se déplacer comme ils le font normalement dans un continuum fluide, les électrons des nanobulles de graphène se sont regroupés à des énergies très spécifiques. Lorsque les chercheurs ont comparé leurs résultats à ce que la théorie suggérait, ils ont découvert que les électrons se comportaient comme s'ils étaient dans un champ magnétique ultra-fort. Cependant, il n'y avait pas de champ magnétique réel présent.

Avec du graphène, "souvent nous courons après une chose et nous trouvons quelque chose de complètement inattendu, " dit Crommie.

Jumelage avec le nitrure de bore

Lorsque les scientifiques ont exploré pour la première fois les propriétés du graphène, ils l'ont placé sur du dioxyde de silicium. Le dioxyde de silicium étant un isolant courant pour les applications électroniques, cela semblait être un match idéal. Cependant, le graphène n'atteignait pas son plein potentiel.

James Hone, un professeur de génie mécanique de l'Université Columbia, s'est souvenu d'avoir pensé, « Y a-t-il un matériau en couches comme le graphène qui conviendrait naturellement ? »

L'équipe de Hone a finalement découvert que le graphène fonctionne beaucoup mieux lorsque vous le mettez plutôt sur du nitrure de bore. Comme le graphène, le nitrure de bore ne peut avoir qu'une épaisseur de quelques atomes et a la même structure en nid d'abeille. Cependant, c'est un isolant qui empêche les électrons de le traverser.

Ils ont découvert que l'association du nitrure de bore et du graphène peut produire un nouveau matériau dont les propriétés sont très flexibles. Cette combinaison est si prometteuse qu'Alex Zettl de Berkeley Lab a plaisanté en disant que son laboratoire est désormais "Boron Nitride R Us". Il a commenté, "L'influence du nitrure de bore sur le graphène est un outil très puissant."

La lumière ordinaire peut offrir un moyen d'influencer les électrons dans ce nouveau matériau composite. Les scientifiques du Berkeley Lab ont découvert qu'ils peuvent utiliser la lumière d'une simple lampe pour créer un dispositif semi-conducteur essentiel appelé "jonction p-n". Les jonctions P-n ont un côté positif et sans électrons et un autre côté négatif avec des électrons supplémentaires. En concevant soigneusement ces jonctions, les ingénieurs peuvent contrôler comment et quand les électrons se déplacent entre les deux côtés d'un matériau. Ils sont comme les barrières qui montent et descendent à un poste de péage.

Les scientifiques ont réalisé que s'ils pouvaient corriger, charges statiques dans le nitrure de bore d'une manière spécifique, ils pourraient générer une jonction p-n dans le graphène voisin. Pour créer la jonction p-n, les scientifiques ont d'abord préparé l'autoroute du graphène pour avoir un excès d'électrons, ou être une région de type n. Puis, en éclairant le nitrure de bore sous-jacent, ils ont créé un nid de poule, ou région de type p, dans le graphène. Donc avec une impulsion lumineuse et le nitrure de bore comme médiateur, ils pourraient "écrire" des jonctions p-n - des barrières de péage - dans le graphène selon les besoins.

Même après que les scientifiques ont éteint la lumière, l'activation du nitrure de bore et son influence sur le trafic électronique dans le graphène voisin, est resté en place pendant des jours. Les scientifiques ont également découvert qu'ils pouvaient effacer et recréer ces jonctions, ce qui pourrait être important pour la conception d'appareils électroniques.

Maintenant, les chercheurs utilisent des microscopes à effet tunnel, qui utilisent des pointes de taille nanométrique pour conduire l'électricité, faire la même chose avec plus de précision.

Charger les espaces vides dans le graphène

En raison de sa structure unique, le graphène reste stable même lorsque les scientifiques y perforent des trous. L'équipe d'Andrei de l'Université Rutgers a profité de ce fait pour créer un "atome artificiel" qui influence les électrons voisins dans la partie non endommagée du graphène. D'abord, des chercheurs ont projeté de l'hélium sur du graphène sur un substrat, en éliminant un seul atome de carbone. Ils ont ensuite utilisé un microscope à effet tunnel pour appliquer une charge positive au substrat sous l'espace vide où se trouvait l'atome manquant. Comme un vrai atome, cette charge positive a influencé les orbites des électrons dans le graphène environnant. La création de ces atomes artificiels pourrait être un autre moyen pour les futurs appareils de contrôler le flux d'électrons dans le graphène.

L'avenir du graphène

Le plus surprenant de ces rebondissements est peut-être que l'avenir ne réside peut-être pas du tout dans le graphène. Alors que les scientifiques étudiaient les propriétés électroniques uniques du graphène, ils ont découvert de nouveaux matériaux extrêmement minces fabriqués à partir d'éléments autres que le carbone. Si un matériau n'a que quelques atomes d'épaisseur et a une structure en nid d'abeille, il peut démontrer de nombreuses propriétés électroniques du graphène. En réalité, les scientifiques ont trouvé des matériaux en silicium, germanium, et l'étain qui agissent de manière étonnamment similaire au graphène. L'utilisation de ces matériaux seuls ou en combinaison avec du graphène peut offrir de meilleures caractéristiques que le graphène seul.

En attendant, les scientifiques continueront d'étudier les caractéristiques étranges de ce matériau souvent surprenant. Comme Philip Kim, un professeur de physique de l'université de Harvard a déclaré :"[Graphene] vous apporte toujours de nouvelles, une science passionnante à laquelle nous ne nous attendions pas."