En utilisant des calculs de supercalculateur à grande échelle, les chercheurs ont analysé comment le placement de contacts métalliques sur le graphène modifie les propriétés de transport d'électrons du matériau en tant que facteur de longueur de jonction, largeur et orientation. On pense que ce travail est la première étude quantitative du transport d'électrons à travers les jonctions métal-graphène à examiner les modèles antérieurs de manière significative.

Les informations sur la manière dont la fixation des contacts métalliques affecte le transport des électrons dans le graphène seront importantes pour les scientifiques qui étudient le matériau - et pour les concepteurs qui pourraient un jour fabriquer des dispositifs électroniques à partir du matériau en treillis de carbone.

"Les appareils au graphène devront communiquer avec le monde extérieur, et cela signifie que nous devrons fabriquer des contacts pour transporter du courant et des données, " dit Mei-Yin Chou, professeur et directeur de département à la School of Physics du Georgia Institute of Technology. "Quand ils mettent des contacts métalliques sur du graphène pour mesurer les propriétés de transport, les chercheurs et les concepteurs d'appareils doivent savoir qu'ils ne mesurent peut-être pas les propriétés intrinsèques du graphène vierge. Le couplage entre les contacts et le matériau doit être pris en compte."

Des informations sur les effets des contacts métalliques sur le graphène ont été rapportées dans le journal Lettres d'examen physique le 19 février. La recherche a été soutenue par le département américain de l'Énergie, et des interactions impliquées avec des chercheurs du Centre de recherche scientifique et technique sur les matériaux (MRSEC) soutenu par la National Science Foundation (NSF) à Georgia Tech.

En utilisant à grande échelle, calculs des premiers principes effectués dans deux centres de supercalculateurs différents pris en charge par la NSF, l'équipe de recherche Georgia Tech - qui comprenait les boursiers postdoctoraux Salvador Barraza-Lopez et Mihajlo Vanevic, et le professeur assistant Markus Kindermann - ont effectué des calculs détaillés au niveau atomique des contacts en aluminium cultivés sur du graphène.

Les calculs ont étudié deux contacts jusqu'à 14 nanomètres l'un de l'autre, avec du graphène suspendu entre eux. Dans leurs calculs, les chercheurs ont laissé l'aluminium se développer comme il le ferait dans le monde réel, ont ensuite étudié comment le transfert d'électrons était induit dans la zone entourant les contacts.

"Les gens ont pu proposer des modèles phénoménologiques qu'ils utilisent pour découvrir quels sont les effets avec les contacts métalliques, " expliqua Chou. " Nos calculs sont allés un peu plus loin car nous avons construit des contacts atome par atome. Nous avons construit des contacts résolus atomistiquement, et en faisant ça, nous avons résolu ce problème au niveau atomique et avons essayé de faire tout ce qui est compatible avec la mécanique quantique."

Parce que les métaux ont généralement un excès d'électrons, la fixation physique des contacts au graphène provoque un transfert de charge du métal. La charge commence à être transférée dès que les contacts sont construits, mais finalement les deux matériaux atteignent l'équilibre, dit Chou.

L'étude a montré que le transfert de charge au niveau des conducteurs et dans la section autoportante du matériau crée une asymétrie électron-trou dans la conductance. Pour les pistes suffisamment longues, l'effet crée deux minima de conductance aux énergies des points de Dirac pour les régions suspendues et serrées du graphène, selon Barraza-Lopez.

"Ces résultats pourraient être importants pour la conception de futurs dispositifs au graphène, ", a-t-il déclaré. "Les effets de bord et l'impact de la largeur du nanoruban ont été étudiés en détail, mais les effets du transfert de charge au niveau des contacts peuvent potentiellement être tout aussi importants."

Les chercheurs ont modélisé l'aluminium, mais je pense que leurs résultats s'appliqueront à d'autres métaux tels que le cuivre et l'or qui ne forment pas de liaisons chimiques avec le graphène. Cependant, d'autres métaux tels que le chrome et le titane altèrent chimiquement le matériau, donc les effets qu'ils ont sur le transport des électrons peuvent être différents.

Au-delà des nouvelles informations fournies par les calculs, la recherche propose en outre des modèles quantitatifs qui peuvent être utilisés dans certaines circonstances pour décrire l'impact des contacts.

"Les modèles antérieurs étaient basés sur des connaissances physiques, mais personne ne savait vraiment avec quelle fidélité ils décrivaient le matériel, " a déclaré Kindermann. "C'est le premier calcul à montrer que ces modèles antérieurs s'appliquent dans certaines circonstances aux systèmes que nous avons étudiés."

Les données de l'étude pourraient un jour aider les concepteurs d'appareils à concevoir des circuits de graphène en les aidant à comprendre les effets qu'ils voient.

"Quand on modifie le graphène, nous devons comprendre quels changements se produisent à la suite de l'ajout de matériaux, " a ajouté Chou. " C'est vraiment une recherche fondamentale pour comprendre ces effets et avoir une prédiction numérique de ce qui se passe. Nous aidons à comprendre la physique de base du graphène."