Dans le récent numéro de La nature , Des scientifiques européens de l'Empa et de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères expliquent comment ils ont réussi pour la première fois à faire pousser des rubans de graphène de quelques nanomètres de large à l'aide d'une simple méthode chimique basée sur la surface. Les rubans de graphène sont considérés comme des "candidats chauds" pour les futures applications électroniques, car leurs propriétés peuvent être ajustées en fonction de la largeur et de la forme des bords.

Les transistors à base de graphène sont considérés comme des successeurs potentiels pour les composants en silicium actuellement utilisés. Le graphène est constitué de couches de carbone bidimensionnelles et possède un certain nombre de propriétés exceptionnelles :il est non seulement plus dur que le diamant, extrêmement résistant à la déchirure et imperméable aux gaz, mais c'est aussi un excellent conducteur électrique et thermique. Cependant, comme le graphène est un semi-métal il en manque, contrairement au silicium, une bande interdite électronique et n'a donc pas de capacité de commutation, ce qui est essentiel pour les applications électroniques. Des scientifiques de l'Empa, l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Mayence (Allemagne), L'ETH Zürich et les universités de Zürich et de Berne ont maintenant développé une nouvelle méthode pour créer des rubans de graphène avec des bandes interdites.

À ce jour, des rubans de graphène ont été "coupés" à partir de feuilles de graphène plus grandes, semblable à des tagliatelles coupées dans de la pâte de pâtes. Ou des nanotubes de carbone ont été fendus dans le sens de la longueur et déployés. Il en résulte une bande interdite par effet de mécanique quantique - la bande interdite étant une gamme d'énergie qui ne peut pas être occupée par des électrons et qui détermine les propriétés physiques, comme la capacité de commutation. La largeur (et la forme des bords) du ruban de graphène détermine la taille de la bande interdite et influence ainsi les propriétés des composants construits à partir du ruban.

Si des rubans de graphène extrêmement étroits (largement inférieurs à 10 nanomètres) qui ont également des bords bien définis pouvaient être fabriqués, donc le raisonnement, ensuite, ils peuvent autoriser des composants présentant des propriétés optiques et électroniques spécifiques :selon les besoins, l'ajustement de la bande interdite pourrait être utilisé pour affiner les caractéristiques de commutation d'un transistor. Ce n'est pas un exploit, que les méthodes lithographiques qui ont été utilisées jusqu'à présent, par exemple pour découper des couches de graphène, se heurter à des barrières fondamentales; ils donnent des rubans trop larges et à bords diffus.

Dans la question de La nature publié le 22 juillet 2010, scientifiques dirigés par Roman Fasel, Senior Scientist à l'Empa et professeur de chimie et biochimie à l'Université de Berne, et Klaus Mullen, Directeur à l'Institut Max Planck de recherche sur les polymères, décrire une méthode chimique de surface simple pour créer de tels rubans étroits sans avoir besoin de couper, dans une approche ascendante, c'est-à-dire à partir des blocs de construction de base. Pour y parvenir, ils ont répandu des monomères halogènes spécialement conçus sur des surfaces d'or et d'argent dans des conditions de vide ultra poussé. Ceux-ci sont liés pour former des chaînes polyphénylène dans une première étape de réaction.

Dans une deuxième étape de réaction, initié par un chauffage un peu plus élevé, les atomes d'hydrogène sont éliminés et les chaînes interconnectées pour former un plan, système de graphène aromatique. Il en résulte des rubans de graphène de l'épaisseur d'un seul atome, d'un nanomètre de large et jusqu'à 50 nm de long. Les rubans de graphène sont donc si étroits qu'ils présentent une bande interdite électronique et donc, comme c'est le cas avec le silicium, possèdent des propriétés de commutation - une première et importante étape pour le passage de la microélectronique au silicium à la nanoélectronique au graphène. Et si cela ne suffisait pas, des rubans de graphène avec différentes structures spatiales (soit des lignes droites soit avec des formes en zigzag) sont créés, selon les monomères moléculaires utilisés par les scientifiques.

Comme les scientifiques peuvent désormais (presque) produire à volonté des rubans de graphène, ils veulent commencer à enquêter sur leurs propriétés, par exemple, comment les propriétés magnétiques des rubans de graphène peuvent être influencées par différentes structures de bord. La méthode chimique de surface ouvre également des possibilités intéressantes en ce qui concerne le dopage ciblé de rubans de graphène :l'utilisation de composants monomères avec des atomes d'azote ou de bore dans des positions bien définies ou l'utilisation de monomères avec des groupes fonctionnels supplémentaires devraient permettre la création de rubans de graphène dopés positivement et négativement.

Une combinaison de différents monomères est également possible et peut permettre, par exemple, la création d'hétérojonctions - interfaces entre différents types de rubans de graphène, tels que des rubans avec des bandes interdites petites et grandes - qui pourraient être utilisés dans les cellules solaires ou les composants à haute fréquence. The scientists have already demonstrated that the underlying principle for this works:they have connected three graphene ribbons to each other at a nodal point by means of two suitable monomers.

À ce jour, the scientists have focused on graphene ribbons on metal surfaces. Cependant, to be usable in electronics the graphene ribbons need to be created on semi-conductor surfaces or methods must be developed to transfer the ribbons from metal to semi-conductor surfaces. And first results in this direction also give the scientists good reasons to be optimistic.