Une découverte accidentelle dans le laboratoire d'un physicien de l'Université de Californie, Riverside offre une voie unique pour régler les propriétés électriques du graphène, le matériau élastique le plus fin de la nature. Cette voie est très prometteuse pour remplacer le silicium par du graphène dans l'industrie des puces électroniques.

Les chercheurs ont découvert que l'empilement de trois couches de graphène, comme des crêpes, modifie considérablement les propriétés électriques du matériau. Lorsqu'ils ont fabriqué du graphène tricouche en laboratoire et mesuré sa conductance, ils ont trouvé, à leur grande surprise, que, selon la façon dont les couches étaient empilées, certains des dispositifs en graphène à trois couches étaient conducteurs tandis que d'autres étaient isolants.

"Ce sur quoi nous sommes tombés, c'est un "bouton" simple et pratique pour régler les propriétés électriques des feuilles de graphène, " a déclaré Jeanie Lau, professeur agrégé de physique et d'astronomie, dont le laboratoire a fait la découverte fortuite.

Les résultats de l'étude sont apparus en ligne le 25 septembre dans Physique de la nature .

Le graphène est une feuille épaisse d'un atome d'atomes de carbone disposés en anneaux hexagonaux. Portant d'excellentes propriétés matérielles, tels que la capacité de transport de courant élevée et la conductivité thermique, ce "matériau miracle" est parfaitement adapté à la création de composants pour circuits semi-conducteurs et ordinateurs.

En raison de la structure plane et semblable à du fil de poulet du graphène, ses feuilles se prêtent bien à l'empilement dans ce qu'on appelle « l'empilement Bernal, ' la mode d'empilement des feuilles de graphène.

Dans une bicouche empilée de Bernal, un coin des hexagones de la deuxième feuille est situé au-dessus du centre des hexagones de la feuille inférieure. En tricouche empilée de Bernal (ABA), la feuille du haut (troisième) est exactement au-dessus de la feuille la plus basse. En tricouche à empilement rhomboédrique (ABC), la feuille supérieure est décalée de la distance d'un atome, de sorte que la feuille supérieure (troisième) et la feuille inférieure forment également un empilement de Bernal.

"La forme la plus stable de graphène tricouche est l'ABA, qui se comporte comme un métal, " Lau a expliqué. "Étonnamment, si nous décalons simplement toute la couche supérieure de la distance d'un seul atome, la tricouche – désormais à empilement ABC ou rhomboédrique – devient isolante. Pourquoi cela se produit n'est pas encore clair. Elle pourrait être induite par des interactions électroniques. Nous attendons avec impatience une explication des théoriciens !"

Son laboratoire a utilisé la spectroscopie Raman pour examiner les ordres d'empilement des dispositifs au graphène. Ensuite, le laboratoire prévoit d'étudier la nature de l'état isolant dans le graphène empilé ABC. Dans ce genre de graphène empilé, ils prévoient également d'étudier la bande interdite - une gamme d'énergie, critique pour les applications numériques, dans lequel aucun électron ne peut exister.

"La présence de l'écart dans le graphène empilé ABC qui se pose, nous croyons, des interactions électroniques renforcées est intéressant car non attendu des calculs théoriques, " Lau a déclaré. "La compréhension de cet écart est particulièrement importante pour le défi majeur de l'ingénierie des bandes interdites dans l'électronique du graphène."

Outre le graphène, Lau étudie les nanofils et les nanotubes de carbone. Ses recherches ont aidé les physiciens à acquérir une compréhension fondamentale du comportement des atomes et des électrons lorsqu'ils sont régis par la mécanique quantique. Son laboratoire étudie de nouvelles propriétés électriques qui découlent du confinement quantique des atomes et des charges dans des systèmes à l'échelle nanométrique. Son équipe de recherche a montré que le graphène peut agir comme une table de billard à l'échelle atomique, avec des charges électriques faisant office de boules de billard.

Ses autres intérêts de recherche incluent la supraconductivité, gestion thermique et transport électronique dans les nanostructures, et la conception de nouvelles classes de dispositifs à l'échelle nanométrique.

Une composante éducative de l'effort de recherche de Lau est la participation active de l'école secondaire, premier cycle, et étudiants diplômés, en particulier les minorités et les femmes, dans ses recherches de pointe, tirer parti de la diversité ethnique de la population étudiante de l'UCR et des communautés locales. Elle est membre fondatrice du corps professoral du UCR Undergraduate Research Journal. Elle a également organisé un déjeuner-groupe « Femmes en physique » qui offre une plate-forme conviviale aux étudiantes, post-doctorants et membres du corps professoral d'interagir.

Après avoir obtenu son baccalauréat en physique de l'Université de Chicago en 1994, Lau a poursuivi ses études à l'Université Harvard d'où elle a obtenu sa maîtrise et son doctorat en physique en 1997 et 2001, respectivement. Elle a rejoint l'UCR en 2004, après une nomination en tant qu'associé de recherche au laboratoire Hewlett-Packard.