Des chercheurs de l'Université Rice ont trouvé un moyen de coudre du graphène et du nitrure de bore hexagonal (h-BN) en une courtepointe bidimensionnelle qui offre de nouvelles voies d'exploration aux scientifiques des matériaux.

La technique a des implications pour l'application de matériaux de graphène en microélectronique qui évoluent bien en deçà des limites du silicium déterminées par la loi de Moore.

Nouvelle recherche du laboratoire de Pulickel Ajayan, Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson de Rice, professeur en génie mécanique et science des matériaux et en chimie, démontre un moyen d'obtenir un contrôle fin dans la création d'un tel hybride, Structures 2D.

Les couches de h-BN d'un seul atome d'épaisseur ont la même structure de réseau que le graphène, mais électriquement les matériaux sont aux extrémités opposées du spectre :h-BN est un isolant, alors que le graphène, la forme monocouche du carbone, est très conducteur. La capacité de les assembler en un seul réseau pourrait conduire à une riche variété de structures 2D avec des propriétés électriques allant du conducteur métallique au semi-conducteur en passant par l'isolant.

Parce que le graphène est un conducteur et que le h-BN est un isolant, la proportion de l'un à l'autre détermine dans quelle mesure ce nouveau matériau conduit les électrons. Lijie Ci et Li Song, les deux chercheurs postdoctoraux dans le laboratoire d'Ajayan, ont découvert qu'en déposant des domaines de h-BN et de carbone par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), ils ont pu contrôler le rapport des matériaux dans le film qui en a résulté.

Ci et Song sont les principaux auteurs d'un article sur le travail paru dans l'édition en ligne de Matériaux naturels cette semaine.

Ajayan a déclaré que la découverte était passionnante pour un scientifique des matériaux.

"Du point de vue du graphène, cela nous donne maintenant l'opportunité d'explorer l'ingénierie de la bande interdite dans les systèmes en couches bidimensionnels, " dit-il. " Tout le diagramme de phase du bore, le carbone et l'azote est fascinant, inexploré et offre un formidable terrain de jeu pour les scientifiques des matériaux.

"Ce n'est que le premier exemple montrant que ces structures peuvent en effet être cultivées en 2-D comme le graphène, " Ajayan a déclaré. "Je pense que le tout nouveau domaine sera passionnant pour la physique de base et les applications électro-optiques."

Le graphène a fait l'objet d'études approfondies ces dernières années pour sa conductivité élevée et la possibilité de le manipuler à des échelles bien inférieures aux limites théoriques des circuits en silicium. Une couche de graphène est un réseau hexagonal d'atomes de carbone. En masse, ça s'appelle du graphite, l'étoffe de la mine de crayon. Le graphène a été isolé pour la première fois en 2004 par des scientifiques britanniques qui ont utilisé du scotch pour extraire des couches à un seul atome du graphite.

"Le graphène est un matériau très chaud en ce moment, " dit Song, qui avait fait équipe avec Ci pour étudier le dopage du graphène avec divers matériaux afin de déterminer ses propriétés semi-conductrices. Sachant que le bore et l'azote avaient déjà été utilisés dans le dopage du graphite massif, ils ont décidé d'essayer de le cuire via CVD sur une base de cuivre.

Structurellement, h-BN est le même que le graphène, un réseau hexagonal d'atomes de carbone qui ressemble à du grillage. Ci et Song ont découvert que grâce au CVD, le graphène et le h-BN fusionnés en une seule feuille atomique, avec des pools de h-BN brisant la matrice carbonée.

Le facteur critique pour les matériaux électroniques est la bande interdite, qui doit être réglé de manière contrôlée pour les applications. Le graphène est un matériau sans espace, mais des moyens ont été proposés pour adapter cet écart en le modelant en bandes nanométriques et en le dopant avec d'autres éléments.

Ci et Song ont adopté une approche différente à travers le CVD, contrôler le rapport du carbone au h-BN sur une grande, gamme utile.

Il reste difficile de produire des couches simples du matériau hybride, car la plupart des films cultivés en laboratoire contiennent deux ou trois couches. Les chercheurs ne peuvent pas encore contrôler le placement des pools de h-BN dans une seule feuille ou les angles de rotation entre les couches - mais ils y travaillent.

En réalité, avoir plusieurs couches de l'hybride à différents angles crée encore plus de possibilités, ils ont dit. "Pour le graphène pur, cette rotation affectera les propriétés électroniques, " dit Ci, qui a déménagé avec le laboratoire d'Ajayan du Rensselaer Polytechnic Institute à Houston en 2007.

Les chercheurs envisagent de produire ces matériaux sur des plaquettes à l'échelle industrielle. Des feuilles de graphène de plusieurs pouces de large ont déjà été synthétisées dans d'autres laboratoires, Ci dit. Et parce que le graphène peut être lithographié et découpé en formes, le nouveau matériau a un grand potentiel pour être transformé en dispositifs utiles avec des propriétés électriques contrôlables.