Depuis sa découverte, le graphène - une substance inhabituelle et polyvalente composée d'un réseau cristallin monocouche d'atomes de carbone - a suscité beaucoup d'enthousiasme dans la communauté scientifique. Maintenant, Nongjian (NJ) Tao, un chercheur du Biodesign Institute de l'Arizona State University a découvert une nouvelle façon de fabriquer du graphène, maximiser l'énorme potentiel du matériau, en particulier pour une utilisation dans des appareils électroniques à grande vitesse.

Avec des collaborateurs de l'institut allemand Max Planck, le Département de science et génie des matériaux, Université de l'Utah, et l'Université Tsinghua, Pékin, Tao a créé un transistor au graphène composé de 13 anneaux benzéniques.

La molécule, connu sous le nom de coronène, montre une bande interdite électronique améliorée, une propriété qui peut aider à surmonter l'un des principaux obstacles à l'application de la technologie du graphène pour l'électronique. Le travail du groupe apparaît dans le numéro en ligne avancé du 29 juin de Communication Nature .

Finalement, les composants du graphène peuvent se retrouver dans une large gamme de produits, des lasers aux puces informatiques ultra-rapides; des ultracondensateurs aux capacités de stockage sans précédent; outils de détection et de diagnostic microbiens; Cellules photovoltaïques; applications informatiques quantiques et bien d'autres.

Comme le nom le suggère, le graphène est étroitement lié au graphite. Chaque fois qu'un crayon est tracé sur une page, de minuscules fragments de graphène sont libérés. Lorsqu'il est correctement agrandi, la substance ressemble à un grillage à l'échelle atomique. Les feuilles du matériau possèdent des propriétés électroniques et optiques exceptionnelles, ce qui le rend très attrayant pour des applications variées.

"Le graphène est un matériau étonnant, constitué d'atomes de carbone reliés dans une structure en nid d'abeille, " Tao dit, soulignant l'énorme mobilité électrique du graphène, la facilité avec laquelle les électrons peuvent circuler à travers le matériau. Une telle mobilité élevée est un paramètre critique pour déterminer la vitesse de composants tels que les transistors.

Produire des quantités utilisables de graphène cependant, peut être délicat. Jusqu'à maintenant, deux méthodes ont été privilégiées, un dans lequel le graphène monocouche est décollé d'une feuille multicouche de graphite, à l'aide de ruban adhésif et l'autre, dans lequel des cristaux de graphène sont cultivés sur un substrat, comme le carbure de silicium.

Dans chaque cas, une propriété intrinsèque du graphène doit être surmontée pour que le matériau convienne à un transistor. Comme l'explique Tao, "Un transistor est essentiellement un interrupteur - vous l'allumez ou l'éteignez. Un transistor au graphène est très rapide mais le rapport marche/arrêt est très petit. " Cela est dû au fait que l'espace entre les bandes de valence et de conduction du matériau —ou bande interdite comme on l'appelle—est nul pour le graphène.

Afin d'élargir la bande interdite et d'améliorer le rapport marche/arrêt du matériau, de plus grandes feuilles de graphène peuvent être coupées à des tailles nanométriques. Cela a pour effet d'ouvrir l'écart entre les bandes de valence et de conductance et d'améliorer le rapport marche/arrêt, bien qu'une telle réduction de taille ait un coût. Le processus est laborieux et tend à introduire des irrégularités de forme et des impuretés dans la composition chimique, qui dégradent quelque peu les propriétés électriques du graphène. "Ce n'est peut-être pas vraiment une solution viable pour la production de masse, " observe Tao.

Plutôt qu'une approche descendante dans laquelle les feuilles de graphène sont réduites à une taille appropriée pour agir comme des transistors, L'approche de Tao est ascendante :construire le graphène, moléculaire pièce par pièce. Pour faire ça, Tao repose sur la synthèse chimique des cycles benzéniques, structures hexagonales, chacun formé de 6 atomes de carbone. « Le benzène est généralement un matériau isolant, " dit Tao. Mais comme de plus en plus de tels anneaux sont réunis, le comportement du matériau devient plus comme un semi-conducteur.

En utilisant ce processus, le groupe a pu synthétiser une molécule de coronène, composé de 13 anneaux benzéniques disposés selon une forme bien définie. La molécule a ensuite été équipée de chaque côté de groupes de liaison - des liants chimiques qui permettent à la molécule d'être attachée aux électrodes, formant un circuit nanométrique. Un potentiel électrique a ensuite été transmis à travers la molécule et le comportement, observé. La nouvelle structure affiche les propriétés du transistor, montrant des interrupteurs marche/arrêt réversibles.

Tao souligne que le processus de synthèse chimique permet d'affiner les structures en termes de taille idéale, forme et structure géométrique, ce qui le rend avantageux pour la production de masse commerciale. Le graphène peut également être rendu exempt de défauts et d'impuretés, réduisant ainsi la diffusion électrique et fournissant au matériau une mobilité et une vitesse de support maximales, idéal pour l'électronique à grande vitesse.

Dans les appareils conventionnels, la résistance est proportionnelle à la température, mais dans les transistors au graphène de Tao et al., la mobilité des électrons est due à l'effet tunnel quantique, et reste indépendant de la température - une signature de processus cohérent.

Le groupe pense pouvoir agrandir les structures du graphène par synthèse chimique jusqu'à peut-être des centaines d'anneaux, tout en maintenant une bande interdite suffisante pour permettre un comportement de commutation. La recherche ouvre de nombreuses possibilités pour la commercialisation future de ce matériau peu commun, et son utilisation dans une nouvelle génération d'électronique ultra-rapide.