(PhysOrg.com) -- Déplacez-vous sur le silicium. Il y a un nouveau matériel électronique en ville, et ça va vite. Ce matériel, l'objet du prix Nobel de physique 2010, est le graphène - un nom fantaisiste pour des couches extrêmement minces d'atomes de carbone ordinaires disposés en un réseau en "fil de poulet". Ces couches, parfois juste un seul atome d'épaisseur, conduire l'électricité avec pratiquement aucune résistance, très peu de génération de chaleur - et moins de consommation d'énergie que le silicium.

La fabrication de dispositifs en silicium approchant de ses limites physiques, de nombreux chercheurs pensent que le graphène peut fournir un nouveau matériau de plate-forme qui permettrait à l'industrie des semi-conducteurs de poursuivre sa marche vers des appareils électroniques toujours plus petits et plus rapides - des progrès décrits dans la loi de Moore. Bien que le graphène ne remplacera probablement jamais le silicium pour les applications électroniques quotidiennes, il pourrait devenir le matériau de prédilection des appareils performants.

Et le graphène pourrait finalement engendrer une nouvelle génération d'appareils conçus pour tirer parti de ses propriétés uniques.

Depuis 2001, Georgia Tech est devenue un leader mondial dans le développement de graphène épitaxié, un type spécifique de graphène qui peut être cultivé sur de grandes plaquettes et modelé pour être utilisé dans la fabrication de produits électroniques. Dans un article récent publié dans la revue Nature Nanotechnology, Les chercheurs de Georgia Tech ont rapporté avoir fabriqué une matrice de 10, 000 transistors top-gated sur une puce de 0,24 centimètre carré, une réalisation considérée comme la plus haute densité signalée jusqu'à présent dans les appareils au graphène.

En créant ce tableau, ils ont également démontré une nouvelle approche intelligente pour la croissance de motifs complexes de graphène sur des modèles gravés dans du carbure de silicium. La nouvelle technique offrait la solution à l'un des problèmes les plus difficiles auxquels l'électronique au graphène était confrontée.

« C'est une étape importante vers la fabrication d'électronique avec du graphène, " dit Walt de Heer, professeur à la Georgia Tech School of Physics qui a été le pionnier du développement du graphène pour l'électronique haute performance. "C'est une autre étape montrant que notre méthode de travail avec du graphène épitaxié cultivé sur du carbure de silicium est la bonne approche et celle qui sera probablement utilisée pour fabriquer de l'électronique au graphène."

Nanotubes de carbone déroulés

Pour de Heer, l'histoire du graphène commence avec les nanotubes de carbone, de minuscules structures cylindriques considérées comme miraculeuses lorsqu'elles ont commencé à être étudiées par des scientifiques en 1991. De Heer faisait partie des chercheurs enthousiasmés par les propriétés des nanotubes, dont la disposition unique des atomes de carbone leur a conféré des propriétés physiques et électroniques qui, selon les scientifiques, pourraient être à la base d'une nouvelle génération d'appareils électroniques.

Les nanotubes de carbone ont encore des propriétés intéressantes, mais la capacité de les développer de manière cohérente - et de les incorporer dans des applications électroniques à grand volume - a jusqu'à présent échappé aux chercheurs. De Heer s'est rendu compte avant d'autres que les nanotubes de carbone ne seraient probablement jamais utilisés pour des appareils électroniques à haut volume.

Mais il s'est également rendu compte que la clé des propriétés électroniques attrayantes des nanotubes était le réseau créé par les atomes de carbone. Pourquoi ne pas simplement faire pousser ce réseau sur une surface plane, et utiliser des techniques de fabrication éprouvées dans l'industrie de la microélectronique pour créer des dispositifs à peu près de la même manière que les circuits intégrés au silicium ?

En chauffant du carbure de silicium - un matériau électronique largement utilisé - de Heer et ses collègues ont pu chasser les atomes de silicium de la surface, ne laissant que le réseau de carbone dans de fines couches de graphène suffisamment grandes pour développer les types d'appareils électroniques familiers à une génération de concepteurs électroniques.

Ce procédé a été à la base d'un brevet déposé en 2003, et pour le soutien à la recherche initiale du fabricant de puces Intel. Depuis, Le groupe de de Heer a publié des dizaines d'articles et a aidé à créer d'autres groupes de recherche utilisant également le graphène épitaxié pour les appareils électroniques. Bien que les scientifiques en apprennent encore sur le matériau, des entreprises comme IBM ont lancé des programmes de recherche basés sur le graphène épitaxié, et des agences telles que la National Science Foundation (NSF) et la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ont investi dans le développement du matériel pour les futures applications électroniques.

Le travail de Georgia Tech sur le développement de graphène épitaxié pour la fabrication d'appareils électroniques a été reconnu dans le document d'information produit par l'Académie royale des sciences de Suède dans le cadre de la documentation du prix Nobel.

La course pour trouver des applications commerciales pour le graphène est intense, avec des chercheurs des États-Unis, L'Europe , Le Japon et Singapour se sont engagés dans des efforts bien financés. Depuis l'attribution du prix Nobel à un groupe du Royaume-Uni, le flot de communiqués de presse sur les développements du graphène a augmenté.

"Notre graphène épitaxié est aujourd'hui utilisé dans le monde entier par de nombreux laboratoires de recherche, " a noté de Heer. " Nous sommes probablement au stade où se trouvait le silicium dans les années 1950. C'est le début de quelque chose qui va être très vaste et important."

Silicium "À court de gaz"

Un nouveau matériel électronique est nécessaire car le silicium manque de salle de miniaturisation.

"Principalement, nous avons obtenu les augmentations de vitesse du silicium en réduisant continuellement la taille des fonctionnalités et en améliorant la technologie d'interconnexion, " a déclaré Dennis Hess, directeur du Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) parrainé par la National Science Foundation, établi à Georgia Tech pour étudier les futurs matériaux électroniques, en commençant par le graphène épitaxié. « Nous sommes au point où en moins de 10 ans, nous ne pourrons pas réduire davantage la taille des fonctionnalités en raison de la physique du fonctionnement de l'appareil. Cela signifie que nous devrons soit changer le type d'appareil que nous fabriquons, ou changer le matériel électronique que nous utilisons."

C'est une question de physique. Aux très petites échelles nécessaires pour créer des baies de périphériques toujours plus denses, le silicium génère trop de résistance au flux d'électrons, créant plus de chaleur que ce qui peut être dissipée et consommant trop d'énergie.

Le graphène n'a pas de telles restrictions, et en fait, peut fournir une mobilité des électrons jusqu'à 100 fois supérieure à celle du silicium. De Heer pense que son groupe a développé la feuille de route pour l'avenir de l'électronique haute performance - et qu'elle est pavée de graphène épitaxié.

"Nous avons essentiellement développé un schéma complet pour fabriquer de l'électronique à partir de graphène, ", a-t-il déclaré. "Nous avons établi ce que nous pensons être les règles de base sur la façon dont cela fonctionnera, et nous avons les brevets clés en place."

Silicium, bien sûr, a mûri sur de nombreuses générations grâce à la recherche et à l'amélioration constantes. De Heer et Hess conviennent que le silicium sera toujours là, utile pour les produits de consommation à bas prix tels que les iPods, grille-pain, ordinateurs personnels et autres.

De Heer s'attend à ce que le graphène trouve son créneau en faisant des choses qui ne pourraient pas être faites autrement.

« Nous n'essayons pas de faire quelque chose de moins cher ou de meilleur ; nous allons faire des choses qui ne peuvent pas du tout être faites avec du silicium, " a-t-il dit. " Faire des appareils électroniques aussi petits qu'une molécule, par exemple, ne peut pas être fait avec du silicium, mais en principe pourrait être fait avec du graphène. La question clé est de savoir comment étendre la loi de Moore dans un monde post-CMOS."

Contrairement aux nanotubes de carbone qu'il a étudiés dans les années 1990, de Heer ne voit pas de problèmes majeurs à venir pour le développement du graphène épitaxié.

"Que le graphène va être un acteur majeur de l'électronique du futur ne fait plus de doute, " at-il dit. "Nous ne voyons pas de véritables barrages routiers à venir. Il n'y a pas de feux rouges clignotants ou d'autres signes qui semblent indiquer que cela ne fonctionnera pas. Tous les problèmes que nous voyons concernent l'amélioration des problèmes techniques, et nous savons comment faire."

Faire le meilleur graphène

Depuis le début de l'exploration du graphène en 2001, de Heer et son équipe de recherche ont constamment amélioré la qualité des matériaux qu'ils produisent, et ces améliorations leur ont permis de démontrer un certain nombre de propriétés physiques - telles que l'effet Hall quantique - qui vérifient les propriétés uniques du matériau.

"Les propriétés que nous voyons dans notre graphène épitaxié sont similaires à ce que nous avons calculé pour une feuille théorique idéale de graphène en suspension dans l'air, " a déclaré Claire Berger, chercheur à la Georgia Tech School of Physics qui a également un poste de professeur au Centre national de la recherche scientifique en France. "Nous voyons ces propriétés dans le transport des électrons et nous voyons ces propriétés dans toutes sortes de spectroscopie. Tout ce qui est censé se produire dans une seule feuille de graphène que nous voyons dans nos systèmes."

Clé de l'avenir de la matière, bien sûr, est la capacité de fabriquer des appareils électroniques qui fonctionnent de manière cohérente. Les chercheurs pensent qu'ils ont presque atteint ce point.

"Toutes les propriétés dont le graphène épitaxié a besoin pour le rendre viable pour les appareils électroniques ont été prouvées dans ce matériau, " a déclaré Ed Conrad, a professor in Georgia Tech's School of Physics who is also a MRSEC member. "We have shown that we can make macroscopic amounts of this material, and with the devices that are scalable, we have the groundwork that could really make graphene take off."

Reaching higher and higher device density is also important, along with the ability to control the number of layers of graphene produced. The group has demonstrated that in their multilayer graphene, each layer retains the desired properties.

"Multilayer graphene has different stacking than graphite, the material found in pencils, " Conrad noted. "In graphite, every layer is rotated 60 degrees and that's the only way that nature can do it. When we grow graphene on silicon carbide, the layers are rotated 30 degrees. Quand cela arrive, the symmetry of the system changes to make the material behave the way we want it to."

Epitaxial Versus Exfoliated

Much of the world's graphene research -- including work leading to the Nobel -- involved the study of exfoliated graphene:layers of the material removed from a block of graphite, originally with tape. While that technique produces high-quality graphene, it's not clear how that could be scaled up for industrial production.

While agreeing that the exfoliated material has produced useful information about graphene properties, de Heer dismisses it as "a science project" unlikely to have industrial electronics application.

"Electronics companies are not interested in graphene flakes, " he said. "They need industrial graphene, a material that can be scaled up for high-volume manufacturing. Industry is now getting more and more interested in what we are doing."

De Heer says Georgia Tech's place in the new graphene world is to focus on electronic applications.

"We are not really trying to compete with these other groups, " he said. "We are really trying to create a practical electronic material. Pour faire ça, we will have to do many things right, including fabricating a scalable material that can be made as large as a wafer. It will have to be uniform and able to be processed using industrial methods."

Resolving Technical Issues

Among the significant technical issues facing graphene devices has been electron scattering that occurs at the boundaries of nanoribbons. If the edges aren't perfectly smooth -- as usually happens when the material is cut with electron beams -- the roughness bounces electrons around, creating resistance and interference.

Pour résoudre ce problème, de Heer and his team recently developed a new "templated growth" technique for fabricating nanometer-scale graphene devices. The technique involves etching patterns into the silicon carbide surfaces on which epitaxial graphene is grown. The patterns serve as templates directing the growth of graphene structures, allowing the formation of nanoribbons of specific widths without the use of e-beams or other destructive cutting techniques. Graphene nanoribbons produced with these templates have smooth edges that avoid electron-scattering problems.

« En utilisant cette approche, we can make very narrow ribbons of interconnected graphene without the rough edges, " said de Heer. "Anything that can be done to make small structures without having to cut them is going to be useful to the development of graphene electronics because if the edges are too rough, electrons passing through the ribbons scatter against the edges and reduce the desirable properties of graphene."

In nanometer-scale graphene ribbons, quantum confinement makes the material behave as a semiconductor suitable for creation of electronic devices. But in ribbons a micron or so wide, the material acts as a conductor. Controlling the depth of the silicon carbide template allows the researchers to create these different structures simultaneously, using the same growth process.

"The same material can be either a conductor or a semiconductor depending on its shape, " noted de Heer. "One of the major advantages of graphene electronics is to make the device leads and the semiconducting ribbons from the same material. That's important to avoid electrical resistance that builds up at junctions between different materials."

After formation of the nanoribbons, the researchers apply a dielectric material and metal gate to construct field-effect transistors. While successful fabrication of high-quality transistors demonstrates graphene's viability as an electronic material, de Heer sees them as only the first step in what could be done with the material.

"When we manage to make devices well on the nanoscale, we can then move on to make much smaller and finer structures that will go beyond conventional transistors to open up the possibility for more sophisticated devices that use electrons more like light than particles, " he said. "If we can factor quantum mechanical features into electronics, that is going to open up a lot of new possibilities."

Collaborations with Other Groups

Before engineers can use epitaxial graphene for the next generation of electronic devices, they will have to understand its unique properties. As part of that process, Georgia Tech researchers are collaborating with scientists at the National Institute of Standards and Technology (NIST). The collaboration has produced new insights into how electrons behave in graphene.

In a recent paper published in the journal Physique de la nature , the Georgia Tech-NIST team described for the first time how the orbits of electrons are distributed spatially by magnetic fields applied to layers of epitaxial graphene. They also found that these electron orbits can interact with the substrate on which the graphene is grown, creating energy gaps that affect how electron waves move through the multilayer material.

"The regular pattern of magnetically-induced energy gaps in the graphene surface creates regions where electron transport is not allowed, " said Phillip N. First, a professor in the Georgia Tech School of Physics and MRSEC member. "Electron waves would have to go around these regions, requiring new patterns of electron wave interference. Understanding this interference would be important for some bi-layer graphene devices that have been proposed."

Earlier NIST collaborations led to improved understanding of graphene electron states, and the way in which low temperature and high magnetic fields can affect energy levels. The researchers also demonstrated that atomic-scale moiré patterns, an interference pattern that appears when two or more graphene layers are overlaid, can be used to measure how sheets of graphene are stacked.

In a collaboration with the U.S. Naval Research Laboratory and University of Illinois at Urbana-Champaign, a group of Georgia Tech professors developed a simple and quick one-step process for creating nanowires on graphene oxide.

"Nous avons montré qu'en chauffant localement de l'oxyde de graphène isolant, both the flakes and the epitaxial varieties, avec une pointe de microscope à force atomique, we can write nanowires with dimensions down to 12 nanometers, " dit Elisa Riedo, an associate professor in the Georgia Tech School of Physics and a MRSEC member. "And we can tune their electronic properties to be up to four orders of magnitude more conductive."

A New Industrial Revolution?

Though graphene can be grown and fabricated using processes similar to those of silicon, it is not easily compatible with silicon. That means companies adopting it will also have to build new fabrication facilities -- an expensive investment. Par conséquent, de Heer believes industry will be cautious about moving into a new graphene world.

"Silicon technology is completely entrenched and well developed, " he admitted. "We can adopt many of the processes of silicon, but we can't easily integrate ourselves into silicon. À cause de ça, we really need a major paradigm shift. But for the massive electronics industry, that will not happen easily or gently."

He draws an analogy to steamships and passenger trains at the dawn of the aviation age. A un moment donné, it became apparent that airliners were going to replace both ocean liners and trains in providing first-class passenger service. Though the cost of air travel was higher, passengers were willing to pay a premium for greater speed.

"We are going to see a coexistence of technologies for a while, and how the hybridization of graphene and silicon electronics is going to happen remains up in the air, " de Heer predicted. "That is going to take decades, though in the next ten years we are probably going to see real commercial devices that involve graphene."