Graphène, seulement un atome d'épaisseur, grimpe des terrasses à la surface d'un substrat de carbure de silicone. Cette photo d'un appareil au graphène a été prise avec un microscope à force atomique par le Dr Olga Kazakova du NPL
(PhysOrg.com) -- Un projet de recherche collaborative a rapproché le monde de la production d'un nouveau matériau sur lequel la future nanotechnologie pourrait être basée. Chercheurs à travers l'Europe, y compris le National Physical Laboratory (NPL) du Royaume-Uni, ont démontré comment un matériau incroyable, graphène, pourrait détenir la clé de l'avenir de l'électronique à grande vitesse, telles que les puces électroniques et la technologie des écrans tactiles.
Le graphène a depuis longtemps montré du potentiel, mais n'était auparavant produit qu'à très petite échelle, limiter à quel point il pourrait être mesuré, compris et développé. Un article publié le 17 janvier, dans Nature Nanotechnologie explique comment les chercheurs ont, pour la première fois, a produit du graphène à une taille et une qualité où il peut être pratiquement développé, et mesuré avec succès ses caractéristiques électriques. Ces avancées significatives surmontent deux des plus grands obstacles à l'extension de la technologie.
Une technologie d'avenir
Le graphène est une forme de carbone relativement nouvelle constituée d'une seule couche d'atomes disposés en un réseau en forme de nid d'abeille. Bien qu'épais d'un atome et chimiquement simple, le graphène est extrêmement fort et hautement conducteur, le rendant idéal pour l'électronique à grande vitesse, photonique et au-delà.
Le graphène est un bon candidat pour remplacer les puces semi-conductrices. La loi de Moore observe que la densité des transistors sur un circuit intégré double tous les deux ans, mais on pense que le silicium et d'autres matériaux de transistor existants sont proches de la taille minimale où ils peuvent rester efficaces. Les transistors au graphène peuvent potentiellement fonctionner à des vitesses plus rapides et supporter des températures plus élevées. Le graphène pourrait être la solution pour garantir que la technologie informatique continue de croître en puissance tout en diminuant de taille, prolonger de plusieurs années la durée de vie de la loi de Moore.
Les grands fabricants de puces électroniques tels qu'IBM et Intel ont ouvertement exprimé leur intérêt pour le potentiel du graphène en tant que matériau sur lequel l'informatique future pourrait être basée.
Le graphène a également un potentiel pour de nouvelles innovations passionnantes telles que la technologie des écrans tactiles, Écrans LCD et cellules solaires. Sa solidité et sa transparence inégalées le rendent parfait pour ces applications, et sa conductivité offrirait une augmentation spectaculaire de l'efficacité sur les matériaux existants.
Atteindre une taille utilisable tout en maintenant la qualité
Jusqu'à présent, le graphène de qualité suffisante n'était produit que sous forme de petits flocons d'infimes fractions de millimètre, en utilisant des méthodes minutieuses telles que le décollement des couches de cristaux de graphite avec du ruban adhésif. La production d'électronique utilisable nécessite la croissance de surfaces de matériau beaucoup plus grandes. Ce projet a vu des chercheurs, pour la première fois, produire et faire fonctionner avec succès un grand nombre d'appareils électroniques à partir d'une zone importante de couches de graphène (environ 50 mm 2 ).
L'échantillon de graphène, a été produit par épitaxie - un processus de croissance d'une couche de cristal sur une autre - sur du carbure de silicium. Le fait d'avoir un échantillon aussi important prouve non seulement que cela peut être fait de manière pratique, manière évolutive, mais a également permis aux scientifiques de mieux comprendre des propriétés importantes.
Mesurer la résistance
La deuxième avancée clé du projet a été de mesurer les caractéristiques électriques du graphène avec une précision sans précédent, ouvrant la voie à l'établissement de normes pratiques et précises. Pour que des produits tels que les transistors dans les ordinateurs fonctionnent efficacement et soient commercialement viables, les fabricants doivent être en mesure d'effectuer de telles mesures avec une précision incroyable par rapport à une norme internationale convenue.
La norme internationale pour la résistance électrique est fournie par l'effet Hall quantique, un phénomène par lequel les propriétés électriques des matériaux 2D ne peuvent être déterminées que sur la base des constantes fondamentales de la nature.
L'effet a, jusqu'à maintenant, n'a été démontrée avec une précision suffisante que dans un petit nombre de semi-conducteurs conventionnels. Par ailleurs, de telles mesures nécessitent des températures proches du zéro absolu, combiné à des champs magnétiques très puissants, et seuls quelques laboratoires spécialisés dans le monde peuvent atteindre ces conditions.
Le graphène a été longtemps incliné pour fournir une norme encore meilleure, mais les échantillons étaient insuffisants pour le prouver. En produisant des échantillons de taille et de qualité suffisantes, et démontrer avec précision la résistance de Hall, l'équipe a prouvé que le graphène a le potentiel de remplacer les semi-conducteurs conventionnels à grande échelle.
De plus, le graphène montre l'effet Hall quantique à des températures beaucoup plus élevées. Cela signifie que la norme de résistance au graphène pourrait être utilisée beaucoup plus largement, car davantage de laboratoires peuvent atteindre les conditions requises pour son utilisation. En plus de ses avantages de vitesse de fonctionnement et de durabilité, cela accélérerait également la production et réduirait les coûts de la future technologie électronique basée sur le graphène
Le professeur Alexander Tzalenchuk du groupe de détection quantique du NPL et auteur principal de l'article de Nature Nanotechnology observe :« Il est vraiment sensationnel qu'une vaste zone de graphène épitaxié ait démontré non seulement une continuité structurelle, mais aussi le degré de perfection requis pour des mesures électriques précises à égalité avec les semi-conducteurs conventionnels avec une histoire de développement beaucoup plus longue."
Où maintenant?
L'équipe de recherche ne se contente pas d'en rester là. Ils espèrent continuer à démontrer une mesure encore plus précise, ainsi que des mesures précises à des températures encore plus élevées. Ils recherchent actuellement un financement de l'UE pour faire avancer ce projet.
Dr JT Janssen, un boursier NPL qui a travaillé sur le projet, a déclaré : « Nous avons jeté les bases de l'avenir de la production de graphène, et s'efforcera dans nos recherches en cours de fournir une meilleure compréhension de ce matériau passionnant. Le défi pour l'industrie dans les années à venir sera de faire évoluer le matériau de manière pratique pour répondre aux nouvelles exigences technologiques. Nous avons fait un grand pas en avant, et une fois les procédés de fabrication en place, nous espérons que le graphène offrira au monde une alternative plus rapide et moins chère aux semi-conducteurs conventionnels".
L'effet Hall quantique
Cela apparaît lorsqu'un courant électrique traverse un matériau bidimensionnel dans un champ magnétique perpendiculaire et que la tension dans le matériau est mesurée perpendiculairement à la fois au flux de courant et au champ. Dans certains intervalles périodiques de champ, le rapport de cette tension transversale au courant, connue sous le nom de résistance de Hall, n'est déterminé que par une combinaison connue de constantes fondamentales de la nature - la constante de Planck h et la charge électronique e.
En raison de cette universalité, l'effet Hall quantique fournit la base de l'étalon de résistance en principe indépendant d'un échantillon particulier, matériel ou configuration de mesure.
L'effet Hall quantique a, jusqu'à maintenant, n'a été démontrée avec une précision suffisante que dans un petit nombre de semi-conducteurs conventionnels, telles que Si et les hétérostructures du groupe III-V. En raison de sa structure électronique unique, le graphène a été longtemps incliné pour fournir une norme encore meilleure, mais la petite taille des flocons de graphène et la qualité insuffisante des premiers films de graphène n'ont pas permis d'effectuer des mesures précises.
