Sous le microscope à effet tunnel, le graphène révèle sa structure en nid d'abeilles constituée d'anneaux d'atome de carbone, visible sous forme de petits hexagones. Les hexagones plus grands résultent d'un processus d'interférence se produisant entre le graphène et le nitrure de bore sous-jacent. La barre d'échelle mesure un nanomètre, ou un milliardième de mètre. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de Brian LeRoy/UA)
(PhysOrg.com) -- Graphène, la matière qui compose le crayon "plomb, " pourrait un jour rendre les appareils électroniques plus petits, plus rapide et plus économe en énergie. Fournir la première analyse détaillée du graphène sur le nitrure de bore, une équipe de physiciens dirigée par l'UA a fait des découvertes prometteuses.
Graphène - une feuille d'atomes de carbone liés dans un hexagone, structure de fil de poulet - est très prometteuse pour la microélectronique. Un seul atome d'épaisseur et hautement conducteur, le graphène pourrait un jour remplacer les puces de silicium conventionnelles, rendre les appareils plus petits, plus rapide et plus économe en énergie.
En plus des applications potentielles dans les circuits intégrés, cellules solaires, bio-dispositifs miniaturisés et capteurs de molécules de gaz, le matériau a attiré l'attention des physiciens pour ses propriétés uniques de conduction de l'électricité au niveau atomique.
Autrement connu sous le nom de crayon "mine, " le graphène a très peu de résistance et permet aux électrons de se comporter comme des particules sans masse comme les photons, ou particules légères, tout en parcourant la grille hexagonale à des vitesses très élevées.
L'étude des propriétés physiques et des applications potentielles du graphène, cependant, a souffert d'un manque de matériaux de support appropriés qui peuvent supporter une couche plate de graphène sans interférer avec ses propriétés électriques.
Des chercheurs du département de physique de l'Université de l'Arizona ainsi que des collaborateurs du Massachusetts Institute of Technology et du National Materials Science Institute au Japon ont maintenant franchi une étape importante pour surmonter ces obstacles.
Ils ont découvert qu'en plaçant la couche de graphène sur un matériau de structure presque identique, au lieu du dioxyde de silicium couramment utilisé que l'on trouve dans les micropuces, ils pourraient améliorer considérablement ses propriétés électroniques.
Substituer des plaquettes de silicium par du nitrure de bore, une structure de type graphène constituée d'atomes de bore et d'azote à la place des atomes de carbone, le groupe a été le premier à mesurer la topographie et les propriétés électriques de la couche de graphène lisse résultante avec une résolution atomique.
Les résultats sont publiés dans la publication anticipée en ligne de Matériaux naturels .
« Structurellement, le nitrure de bore est fondamentalement le même que le graphène, mais électroniquement, c'est complètement différent, " a déclaré Brian LeRoy, professeur adjoint de physique et auteur principal de l'étude. "Le graphène est un conducteur, le nitrure de bore est un isolant."
"Nous voulons que notre graphène repose sur quelque chose d'isolant, car nous nous intéressons à l'étude des propriétés du graphène seul. Par exemple, si vous voulez mesurer sa résistance, et tu le mets sur du métal, vous allez juste mesurer la résistance du métal parce qu'il va mieux conduire que le graphène."
Contrairement au silicium, qui est traditionnellement utilisé dans les applications électroniques, le graphène est une feuille unique d'atomes, ce qui en fait un candidat prometteur dans la quête d'appareils électroniques toujours plus petits. Pensez à passer d'un livre de poche à une carte de crédit.
"C'est aussi petit que vous pouvez le réduire, " LeRoy a déclaré. "C'est une seule couche, vous n'obtiendrez jamais une demi-couche ou quelque chose comme ça. On pourrait dire que le graphène est le nec plus ultra pour le rendre petit, pourtant c'est toujours un bon chef d'orchestre."
Posé sur nitrure de bore, le graphène montre des fluctuations de charge électrique beaucoup plus petites, représenté en rouge et bleu (à gauche) que lorsqu'il est monté sur une plaquette d'oxyde de silicium (à droite). (Image reproduite avec l'aimable autorisation de Brian LeRoy/UA)
Empilés les uns sur les autres, 3 millions de feuilles de graphène équivaudraient à seulement 1 millimètre. Le matériau le plus fin sur Terre, le graphène a apporté le prix Nobel 2010 à Andre Geim et Konstantin Novoselov, qui ont pu démontrer ses propriétés exceptionnelles par rapport à la physique quantique.
"À l'aide d'un microscope à effet tunnel, nous pouvons regarder les atomes et les étudier, " il a ajouté. " Quand nous mettons du graphène sur de l'oxyde de silicium et regardons les atomes, nous voyons des bosses d'environ un nanomètre de hauteur."
Alors qu'un nanomètre - un milliardième de mètre - peut sembler peu, à un électron filant dans une grille d'atomes, c'est tout à fait une bosse sur la route.
"C'est fondamentalement comme un morceau de papier qui a de petits plis, " explique LeRoy. " Mais si vous mettez le papier, dans ce cas le graphène, sur le nitrure de bore, c'est beaucoup plus plat. Il lisse les bosses d'un ordre de grandeur."
LeRoy admet que le deuxième effet obtenu par son équipe de recherche est un peu plus difficile à expliquer.
"Quand vous avez du graphène assis sur de l'oxyde de silicium, il y a des charges électriques piégées à l'intérieur de l'oxyde de silicium à certains endroits, et ceux-ci induisent une certaine charge dans le graphène sus-jacent. Vous obtenez un peu de variation dans la densité des électrons. Si le graphène repose sur du nitrure de bore, la variation est inférieure de deux ordres de grandeur."
Dans son laboratoire, LeRoy démontre la première étape - et étonnamment low-tech - de la caractérisation des échantillons de graphène :le replie sur lui-même et le décolle à nouveau, dans un processus rappelant un test de Rorschach.
"Tu plies ça en deux, " il expliqua, "et encore, et encore, jusqu'à ce qu'il devienne mince. Le graphène veut se décoller dans ces couches, parce que les liaisons entre les atomes de la couche horizontale sont fortes, mais faible entre des atomes appartenant à des couches différentes. Lorsque vous mettez cela sous un microscope optique, il y aura des régions avec un, deux, Trois, quatre couches ou plus. Ensuite, il vous suffit de rechercher ceux à une seule couche à l'aide du microscope. »
"Il est difficile de trouver l'échantillon parce qu'il est très, très petit, " a déclaré Jiamin Xue, un doctorant dans le laboratoire de LeRoy et le principal auteur de l'article. "Une fois que nous l'avons trouvé, nous le plaçons entre deux électrodes en or pour pouvoir mesurer la conductance."
Pour mesurer la topographie de la surface du graphène, l'équipe utilise un microscope à effet tunnel, qui a une pointe ultrafine qui peut être déplacée.
"Nous déplaçons la pointe très près du graphène, jusqu'à ce que les électrons commencent à y pénétrer, " Expliqua Xue. " C'est comme ça que nous pouvons voir la surface. S'il y a une bosse, la pointe remonte un peu."
Pour la mesure spectroscopique, Xue tient la pointe à une distance fixe au-dessus de l'échantillon. Il modifie ensuite la tension et mesure la quantité de courant qui circule en fonction de cette tension et de tout point donné à travers l'échantillon. Cela lui permet de cartographier différents niveaux d'énergie à travers l'échantillon.
"Vous voulez un isolant le plus fin possible, " LeRoy a ajouté. " L'idée initiale était de choisir quelque chose de plat mais isolant. Parce que le nitrure de bore a essentiellement la même structure que le graphène, vous pouvez le peler en couches de la même manière. Par conséquent, nous utilisons un métal comme base, mettez une fine couche de nitrure de bore dessus, puis du graphène par dessus."
