Des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute ont développé une nouvelle méthode d'utilisation de l'eau pour régler la bande interdite du nanomatériau graphène, ouvrant la porte à de nouveaux transistors à base de graphène et à la nanoélectronique.

En exposant un film de graphène à l'humidité, Le professeur Rensselaer Nikhil Koratkar et son équipe de recherche ont réussi à créer une bande interdite dans le graphène, une condition préalable essentielle à la création de transistors au graphène. Au cœur de l'électronique moderne, les transistors sont des dispositifs qui peuvent être activés ou désactivés pour modifier un signal électrique. Les microprocesseurs informatiques sont composés de millions de transistors fabriqués à partir du matériau semi-conducteur silicium, pour laquelle l'industrie recherche activement un successeur.

Graphène, une feuille d'atomes de carbone de l'épaisseur d'un atome disposée comme une clôture à mailles losangées à l'échelle nanométrique, n'a pas de bande interdite. L'équipe de Koratkar a démontré comment ouvrir une bande interdite dans le graphène en fonction de la quantité d'eau adsorbée sur un côté du matériau, régler avec précision la bande interdite à n'importe quelle valeur de 0 à 0,2 électron-volt. Cet effet était totalement réversible et la bande interdite est revenue à zéro sous vide. La technique n'implique aucune ingénierie compliquée ou modification du graphène, mais nécessite une enceinte où l'humidité peut être contrôlée avec précision.

"Le graphène est apprécié pour ses propriétés mécaniques uniques et attrayantes. Mais si vous deviez construire un transistor en utilisant du graphène, cela ne fonctionnerait tout simplement pas car le graphène agit comme un semi-métal et n'a aucune bande interdite, " dit Koratkar, professeur au Département de mécanique, Aérospatial, et Ingénierie nucléaire à Rensselaer. "Dans cette étude, nous avons démontré une méthode relativement simple pour donner au graphène une bande interdite. Cela pourrait ouvrir la porte à l'utilisation du graphène pour une nouvelle génération de transistors, diodes, nanoélectronique, nanophotonique, et d'autres applications."

Les résultats de l'étude ont été détaillés dans l'article "Tunable Band gap in Graphene by the Controlled Adsorbtion of Water Molecules, " publié cette semaine par le journal Petit .

A l'état naturel, le graphène a une structure particulière mais pas de bande interdite. Il se comporte comme un métal et est connu comme un bon conducteur. Ceci est comparé au caoutchouc ou à la plupart des plastiques, qui sont des isolants et ne conduisent pas l'électricité. Les isolants ont une large bande interdite - un écart énergétique entre les bandes de valence et de conduction - qui empêche les électrons de conduire librement dans le matériau.

Entre les deux se trouvent les semi-conducteurs, qui peut servir à la fois de conducteur et d'isolant. Les semi-conducteurs ont une bande interdite étroite, et l'application d'un champ électrique peut provoquer le saut d'électrons à travers l'espace. La possibilité de basculer rapidement entre les deux états – « marche » et « arrêt » – est la raison pour laquelle les semi-conducteurs sont si précieux en microélectronique.

"Au cœur de tout dispositif semi-conducteur se trouve un matériau avec une bande interdite, " a déclaré Koratkar. " Si vous regardez les puces et les microprocesseurs des téléphones portables d'aujourd'hui, appareils mobiles, et ordinateurs, chacun contient une multitude de transistors fabriqués à partir de semi-conducteurs avec des bandes interdites. Le graphène est un matériau à bande interdite nulle, ce qui limite son utilité. Il est donc essentiel de développer des méthodes pour induire une bande interdite dans le graphène pour en faire un matériau semi-conducteur pertinent. »

La symétrie de la structure du réseau du graphène a été identifiée comme une raison du manque de bande interdite du matériau. Koratkar a exploré l'idée de briser cette symétrie en liant des molécules à un seul côté du graphène. Pour faire ça, il a fabriqué du graphène sur une surface de silicium et de dioxyde de silicium, puis exposé le graphène à une chambre environnementale à humidité contrôlée. Dans la chambre, molécules d'eau adsorbées sur la face exposée du graphène, mais pas du côté tourné vers le dioxyde de silicium. Avec la symétrie brisée, la bande interdite du graphène a fait, En effet, S'ouvrir, dit Koratkar. L'humidité interagissant avec les défauts du substrat en dioxyde de silicium contribue également à l'effet.

"D'autres ont montré comment créer une bande interdite dans le graphène en adsorbant différents gaz à sa surface, mais c'est la première fois qu'on le fait avec de l'eau, " dit-il. " L'avantage de l'adsorption d'eau, par rapport aux gaz, c'est que c'est pas cher, non toxique, et beaucoup plus facile à contrôler dans une application de puce. Par exemple, avec les progrès des technologies de micro-emballage, il est relativement simple de construire une petite enceinte autour de certaines parties ou de l'intégralité d'une puce informatique dans laquelle il serait assez facile de contrôler le niveau d'humidité.

En fonction du taux d'humidité dans l'enceinte, les fabricants de puces pourraient régler de manière réversible la bande interdite du graphène sur n'importe quelle valeur de 0 à 0,2 électron-volt, dit Korarkar.