Une nouvelle technique de "croissance par modèle" pour la fabrication de nanorubans de graphène épitaxié a produit des structures de seulement 15 à 40 nanomètres de large qui conduisent le courant avec presque aucune résistance. Ces structures pourraient relever le défi de connecter des dispositifs en graphène fabriqués avec des architectures conventionnelles et ouvrir la voie à une nouvelle génération de dispositifs tirant parti des propriétés quantiques des électrons.

"Nous pouvons maintenant faire très étroit, nanorubans conducteurs ayant des propriétés balistiques quantiques, " dit Walt de Heer, professeur à l'École de physique du Georgia Institute of Technology. "Ces rubans étroits deviennent presque comme un métal parfait. Les électrons peuvent les traverser sans se disperser, tout comme ils le font dans les nanotubes de carbone."

De Heer devait discuter des résultats récents de ce processus de croissance du graphène le 21 mars lors de la réunion de mars 2011 de l'American Physical Society à Dallas. La recherche a été parrainée par le Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) soutenu par la National Science Foundation.

Signalé pour la première fois le 3 octobre dans l'édition en ligne anticipée du journal Nature Nanotechnologie , la nouvelle technique de fabrication permet la production de structures de graphène épitaxiale avec des bords lisses. Les techniques de fabrication antérieures qui utilisaient des faisceaux d'électrons pour couper des feuilles de graphène produisaient des structures de nanoruban avec des bords rugueux qui diffusaient les électrons, provoquant des interférences. Les nanorubans résultants avaient des propriétés plus semblables à des isolants qu'à des conducteurs.

"Dans notre approche de croissance basée sur des modèles, nous avons essentiellement éliminé les bords qui enlèvent les propriétés souhaitables du graphène, " a expliqué de Heer. " Les bords du graphène épitaxié se fondent dans le carbure de silicium, produire des propriétés qui sont vraiment très intéressantes."

La technique de "croissance par modèle" commence par la gravure de motifs dans les surfaces de carbure de silicium sur lesquelles le graphène épitaxié est développé. Les motifs servent de modèles dirigeant la croissance des structures de graphène, permettant la formation de nanorubans et d'autres structures de largeurs et de formes spécifiques sans l'utilisation de techniques de coupe qui produisent les bords rugueux.

En créant ces nanostructures de graphène, de Heer et son équipe de recherche utilisent d'abord des techniques microélectroniques conventionnelles pour graver de minuscules « étapes » – ou contours – dans une plaquette de carbure de silicium dont la surface a été rendue extrêmement plate. Ils chauffent ensuite la plaquette profilée à environ 1, 500 degrés Celsius, qui initie la fusion qui polit les bords rugueux laissés par le processus de gravure.

Des techniques établies sont ensuite utilisées pour faire croître du graphène à partir de carbure de silicium en chassant les atomes de silicium de la surface. Au lieu de produire une couche uniforme de graphène sur toute la surface de la plaquette, cependant, les chercheurs limitent le temps de chauffe pour que le graphène ne se développe que sur des portions des contours.

La largeur des nanorubans résultants est proportionnelle à la profondeur des contours, fournir un mécanisme pour contrôler avec précision les structures de nanoruban. Pour former des structures complexes, plusieurs étapes de gravure peuvent être effectuées pour créer des modèles complexes.

"Cette technique nous permet d'éviter les étapes compliquées de lithographie par faisceau électronique que les gens utilisaient pour créer des structures en graphène épitaxié, " a noté de Heer. " Nous voyons de très bonnes propriétés qui montrent que ces structures peuvent être utilisées pour de vraies applications électroniques. "

Depuis la publication de l'article de Nature Nanotechnology, L'équipe de de Heer peaufine sa technique. "Nous avons poussé cela à l'extrême - les rubans les plus propres et les plus étroits que nous puissions fabriquer, " a-t-il déclaré. " Nous espérons pouvoir faire tout ce dont nous avons besoin avec les rubans de taille que nous sommes en mesure de fabriquer en ce moment, bien que nous puissions probablement réduire la largeur à 10 nanomètres ou moins."

Alors que l'équipe de Georgia Tech continue de développer des transistors à haute fréquence - peut-être même dans la gamme térahertz - son effort principal se concentre désormais sur le développement de dispositifs quantiques, dit de Heer. De tels dispositifs ont été envisagés dans les brevets que Georgia Tech détient sur divers procédés épitaxiaux de graphène.

"Cela signifie que la façon dont nous ferons de l'électronique au graphène sera différente, " a-t-il expliqué. " Nous ne suivrons pas le modèle d'utilisation de transistors à effet de champ (FET) standard, mais poursuivra les dispositifs qui utilisent des conducteurs balistiques et des interférences quantiques. Nous nous dirigeons directement vers l'utilisation des effets d'onde électronique dans le graphène."

Tirer parti des propriétés des ondes permettra de manipuler les électrons avec des techniques similaires à celles utilisées par les ingénieurs optiques. Par exemple, la commutation peut être effectuée en utilisant des effets d'interférence – séparer les faisceaux d'électrons puis les recombiner en phases opposées pour éteindre les signaux.

Les dispositifs quantiques seraient plus petits que les transistors conventionnels et fonctionneraient à plus faible puissance. En raison de sa capacité à transporter des électrons pratiquement sans résistance, le graphène épitaxié peut être le matériau idéal pour de tels dispositifs, dit de Heer.

"Utiliser les propriétés quantiques des électrons plutôt que les propriétés standard des particules chargées signifie ouvrir de nouvelles façons de regarder l'électronique, " a-t-il prédit. " C'est probablement la façon dont l'électronique évoluera, et il semble que le graphène soit le matériau idéal pour effectuer cette transition."

L'équipe de recherche de De Heer espère démontrer un commutateur rudimentaire fonctionnant sur le principe d'interférence quantique d'ici un an.

Le graphène épitaxié peut être la base d'une nouvelle génération de dispositifs hautes performances qui tireront parti des propriétés uniques du matériau dans des applications où des coûts plus élevés peuvent être justifiés. Silicium, le matériel électronique de choix d'aujourd'hui, continuera à être utilisé dans les applications où des performances élevées ne sont pas requises, dit de Heer.

"C'est une étape importante dans le processus, " a-t-il ajouté. " Il va y avoir beaucoup de surprises alors que nous entrons dans ces dispositifs quantiques et découvrirons comment ils fonctionnent. Nous avons de bonnes raisons de croire que cela peut être la base d'une nouvelle génération de transistors basée sur les interférences quantiques."