(PhysOrg.com) -- Les chercheurs ont surmonté un obstacle majeur dans les efforts visant à utiliser de minuscules structures appelées nanotubes de carbone pour créer une nouvelle classe d'électronique qui serait plus rapide et plus petite que les transistors conventionnels à base de silicium.

nanotubes de carbone, découverts au début des années 90, pourrait rendre possible plus puissant, ordinateurs compacts et économes en énergie, ainsi que des « nanofils » ultra-fins pour circuits électroniques. Les nanotubes pourraient être idéaux pour l'électronique future car ils conduisent l'électricité plus efficacement que tout autre métal, mais leur application pratique exige qu'ils soient fabriqués selon des normes spécifiques.

Aujourd'hui, des scientifiques de la division Science des matériaux du Honda Research Institute USA Inc., L'Université Purdue et l'Université de Louisville ont appris à contrôler la formation de nanotubes de carbone afin qu'ils aient des propriétés métalliques ou semi-conductrices.

"Ce problème de savoir comment contrôler si vous avez un métal ou un semi-conducteur est la pierre d'achoppement clé dans la fabrication de transistors à partir de nanotubes de carbone, " a déclaré Eric Stach, professeur agrégé de génie des matériaux à Purdue. "L'électronique à semi-conducteurs repose sur le fait que vous pouvez contrôler les propriétés semi-conductrices du silicium."

Les résultats seront détaillés dans un article de recherche paru vendredi (2 octobre) dans la revue Science . La recherche est dirigée par Avetik Harutyunyan, scientifique principal au Honda Research Institute USA Inc. à Columbus, Ohio.

"C'est le premier rapport qui montre que nous pouvons contrôler assez systématiquement si les nanotubes de carbone sont métalliques ou semi-conducteurs, ", a déclaré Harutyunyan. "Nous avons un taux de réussite de 91 pour cent dans la production de nanotubes métalliques."

Les transistors à base de silicium contrôlent le flux d'électrons en utilisant des combinaisons spécifiques de métaux et de semi-conducteurs. Les chercheurs s'efforcent d'apprendre à contrôler avec précision les propriétés des nanotubes de carbone afin qu'ils puissent être utilisés à la fois comme composants semi-conducteurs et métalliques des transistors.

"Généralement, le carbone n'est pas un métal, mais les nanotubes de carbone avec une configuration particulière sont, " dit Stach.

Semi-conducteurs, comme le silicium, se comportent tantôt comme des conducteurs et tantôt comme des isolants, alors que les métaux se comportent toujours comme des conducteurs. Les chercheurs savent depuis plusieurs années que les nanotubes de carbone se forment de manière aléatoire de sorte qu'ils sont tantôt métalliques et tantôt semi-conducteurs, mais jusqu'à présent, ils n'en connaissaient pas les raisons précises.

Les nanotubes de carbone peuvent être visualisés sous forme de feuilles d'atomes de carbone d'une épaisseur et enroulées en tubes. Tout comme le pas d'une vis, ils peuvent avoir une configuration différente selon la façon dont ils s'enroulent, et cette configuration détermine s'ils conduisent comme un métal ou un semi-conducteur.

Les nanotubes sont « cultivés » dans une chambre à vide en exposant des particules de fer au gaz méthane. Le gaz contient du carbone et de l'hydrogène, et les particules de fer agissent comme un catalyseur pour libérer le carbone du gaz. Les particules sont chauffées à environ 800 degrés Celsius, ou plus de 1, 400 degrés Fahrenheit. Avec une exposition croissante, le fer contient finalement trop de carbone et devient « sursaturé ». Par conséquent, le carbone précipite sous forme solide, provoquant le début de la formation du nanotube.

Des chercheurs de Honda ont récemment appris qu'ils pouvaient contrôler si les nanotubes de carbone deviennent des métaux ou des semi-conducteurs en utilisant de l'argon ou de l'hélium comme « gaz vecteurs » pour faciliter l'écoulement du méthane dans la chambre en présence d'eau.

Les chercheurs de Louisville ont utilisé cette technique pour produire de grandes quantités de nanotubes et ont effectué des mesures électriques minutieuses pour confirmer si les nanotubes étaient métalliques ou semi-conducteurs.

Les chercheurs de Purdue ont pris des images haute résolution à l'aide d'un instrument appelé microscope électronique à transmission pour déterminer pourquoi le processus fonctionne.

"L'instrument permet de prendre des images pendant la formation des nanotubes, " a déclaré Stach. "Nous pouvons voir la structure atomique des matériaux tout en regardant comment l'environnement les affecte."

La partie Purdue de la recherche est basée au Birck Nanotechnology Center dans le Discovery Park de l'université.

"Ces résultats ouvrent une fenêtre sur la relation intime entre la structure atomique de la nanoparticule de catalyseur et le nanotube de carbone qui se développe à partir de cette nanoparticule de catalyseur, " a déclaré Timothy D. Sands, Mary Jo et Robert L. Kirk directeur du Birck Nanotechnology Center. « Les résultats montrent également que la structure atomique de la nanoparticule de catalyseur peut être contrôlée par le gaz vecteur ambiant, un lien qui peut représenter la première étape vers une solution à l'un des défis les plus épineux de la nanotechnologie."

Les chercheurs de Purdue ont appris que si de l'hélium est utilisé à la place de l'argon, les particules de fer ont une taille et une forme spécifiques et ont également des facettes prononcées, mais les facettes diminuent et la taille des particules varie lorsque l'argon est utilisé.

"Les facettes forment presque à angle droit, mais lorsque vous passez de l'hélium à l'argon, ces facettes s'arrondissent, " dit Stach. " L'hélium et la présence de ces fortes facettes, avec la taille des particules de fer, semble être ce qui permet la création des nanotubes métalliques.

« Nos résultats indiquent que vous pourriez être en mesure de contrôler suffisamment la taille et la forme du catalyseur pour contrôler la structure et donc la conductivité des nanotubes. C'est la première démonstration d'une relation déterministe entre l'état du catalyseur et la structure résultante des nanotubes. "

Les chercheurs ne sont pas sûrs du rôle que joue l'eau dans le processus.

"L'eau pourrait favoriser la formation des facettes, et l'argon pourrait en quelque sorte empêcher l'eau de le faire, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour le déterminer, " dit Stach.

Les travaux sont en cours et sont financés par Honda.

Source :Purdue University (actualité :web)