Le graphane est le matériau de choix des physiciens à la pointe de la science des matériaux, et les chercheurs de l'Université Rice sont là avec la meute - et peut-être un peu en avance.

Des chercheurs encadrés par Boris Yakobson, un professeur Rice de génie mécanique et science des matériaux et de chimie, ont découvert que l'extraction stratégique d'atomes d'hydrogène à partir d'une feuille de graphane bidimensionnelle ouvre naturellement des espaces de graphène pur qui ressemblent - et agissent - comme des points quantiques.

Cela ouvre un nouveau monde de possibilités pour une classe de nanoélectronique en constante diminution qui dépend des propriétés semi-conductrices hautement contrôlables des points quantiques, en particulier dans le domaine de l'optique avancée.

Les travaux théoriques d'Abhishek Singh et Evgeni Penev, tous deux chercheurs postdoctoraux dans le groupe du co-auteur Yakobson, a été publié en ligne la semaine dernière dans la revue ACS Nano et fera la couverture de la version imprimée en juin. Rice a récemment été nommée institution n°1 au monde pour la recherche en science des matériaux par une publication du Royaume-Uni.

Le graphène est devenu le Flat Stanley des matériaux. L'épaisseur d'un atome, la forme en nid d'abeille du carbone peut être bidimensionnelle, mais il semble être partout, présenté comme une solution pour dépasser les limites de la loi de Moore.

Le graphane est simplement du graphène modifié par des atomes d'hydrogène ajoutés des deux côtés de la matrice, ce qui en fait un isolant. Bien qu'il ne fasse encore techniquement qu'un seul atome d'épaisseur, le graphane offre de grandes possibilités pour la manipulation des propriétés semi-conductrices du matériau.

Les points quantiques sont des molécules cristallines de quelques à plusieurs atomes qui interagissent avec la lumière et les champs magnétiques de manière unique. La taille d'un point détermine sa bande interdite - la quantité d'énergie nécessaire pour fermer le circuit - et le rend accordable à un degré précis. Les fréquences de lumière et d'énergie libérées par les points activés les rendent particulièrement utiles pour les capteurs chimiques, cellules solaires, imagerie médicale et circuits nanométriques.

Singh et Penev ont calculé que l'élimination des îlots d'hydrogène des deux côtés d'une matrice de graphane laisse un puits avec toutes les propriétés des points quantiques, ce qui peut également être utile pour créer des tableaux de points pour de nombreuses applications.

"Nous sommes arrivés à ces idées à partir d'une étude entièrement différente du stockage d'énergie sous une forme d'adsorption d'hydrogène sur du graphène, " a déclaré Yakobson. " Abhishek et Evgeni ont réalisé que cette transformation de phase (du graphène au graphane), accompagné du passage du métal à l'isolant, offre une nouvelle palette pour la nano-ingénierie."

Leurs travaux ont révélé plusieurs caractéristiques intéressantes. Ils ont découvert que lorsque des morceaux du sous-réseau d'hydrogène sont retirés, la zone laissée derrière est toujours hexagonale, avec une interface nette entre le graphène et le graphane. C'est important, ils ont dit, parce que cela signifie que chaque point est hautement contenu ; les calculs montrent très peu de fuite de charge dans le matériau hôte graphane. (Comment, précisément, éliminer les atomes d'hydrogène du réseau reste une question pour les scientifiques des matériaux, qui y travaillent, ils ont dit.)

"Vous avez un spectre de type atome intégré dans un média, et ensuite vous pouvez jouer avec la bande interdite en changeant la taille du point, " a déclaré Singh. "Vous pouvez essentiellement régler les propriétés optiques."

Parallèlement aux applications optiques, les points peuvent être utiles dans la détection de molécules uniques et pourraient conduire à de très petits transistors ou lasers à semi-conducteurs, il a dit.

Les défis restent à trouver comment faire des tableaux de points quantiques dans une feuille de graphane, mais ni Singh ni Penev ne considèrent les obstacles comme insurmontables.

"Nous pensons que les principales conclusions de l'article sont suffisantes pour exciter les expérimentateurs, " dit Singh, qui quittera bientôt Rice pour devenir professeur assistant à l'Indian Institute of Science de Bangalore. "Certains travaillent déjà dans les directions que nous avons explorées."

« Leur travail soutient en fait ce que nous suggérons, que vous pouvez faire cette modélisation de manière contrôlée, ", a déclaré Penev.

Quand leurs calculs pourraient-ils porter leurs fruits commerciaux ? "C'est une question difficile, " dit Singh. " Ce ne sera pas si loin, probablement - mais il y a des défis. Je ne sais pas si nous pouvons lui donner un délai, mais cela pourrait arriver bientôt."