Faire des vagues comme matériau qui va révolutionner l'électronique, le graphène - composé d'une seule couche d'atomes de carbone - a néanmoins été difficile à produire d'une manière qui sera pratique pour des applications électroniques innovantes. Des chercheurs de l'UC Santa Barbara ont découvert une méthode pour synthétiser du graphène de haute qualité de manière contrôlée qui pourrait ouvrir la voie à une application électronique de nouvelle génération.

Kaustav Banerjee, professeur au département de génie électrique et informatique et directeur du laboratoire de recherche en nanoélectronique de l'UCSB qui étudie les nanomatériaux de carbone depuis plus de sept ans, a conduit l'équipe de recherche à perfectionner des méthodes de culture de feuilles de graphène, comme détaillé dans une étude à paraître dans le numéro de novembre 2011 de la revue Carbone .

"Notre procédé présente certains avantages uniques qui donnent naissance à du graphène de haute qualité, " dit Banerjee. "Pour que l'industrie électronique utilise efficacement le graphène, il doit d'abord être cultivé de manière sélective et en feuilles plus grandes. Nous avons développé une technique de synthèse qui produit du graphène de haute qualité et haute uniformité qui peut être traduit en un processus évolutif pour les applications industrielles. »

En utilisant du ruban adhésif pour soulever des flocons de graphène du graphite, Les chercheurs de l'Université de Manchester, Geim et Novoselov, ont reçu le prix Nobel de physique 2010 pour leur isolation et leur caractérisation novatrices du matériau. Pour lancer le graphène dans des applications futuristes, cependant, les chercheurs ont cherché un moyen contrôlé et efficace de produire une qualité supérieure de ce matériau d'un seul atome d'épaisseur dans des zones plus vastes.

La découverte par les chercheurs de l'UCSB transforme la production de graphène en un processus convivial pour l'industrie en améliorant la qualité et l'uniformité du graphène à l'aide de méthodes efficaces et reproductibles. Ils ont pu contrôler le nombre de couches de graphène produites – du graphène monocouche au graphène bicouche – une distinction importante pour les futures applications en électronique et autres technologies.

"Intel s'intéresse beaucoup au graphène en raison des nombreuses possibilités qu'il offre pour la prochaine génération d'informatique économe en énergie, mais il y a beaucoup de barrages routiers le long du chemin, " a ajouté Intel Fellow, Shekhar Borkar. "La technique de synthèse évolutive développée par le groupe du professeur Banerjee à l'UCSB est un pas en avant important."

En tant que matériau, Le graphène est le plus fin et le plus résistant au monde - plus de 100 fois plus résistant que le diamant - et est capable d'agir comme un conducteur ultime à température ambiante. S'il peut être produit efficacement, les propriétés du graphène le rendent idéal pour les progrès de l'électronique verte, matériaux super résistants, et la technologie médicale. Le graphène pourrait être utilisé pour fabriquer des écrans flexibles et des appareils électroniques, ordinateurs avec 1, Des processeurs à 000 GHz qui fonctionnent pratiquement sans énergie, et des cellules solaires ultra-efficaces.

La clé de la découverte de l'équipe de l'UCSB est sa compréhension de la cinétique de croissance du graphène sous l'influence du substrat. Leur approche utilise une méthode appelée dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD) et consiste à désintégrer le méthane gazeux d'hydrocarbure à une température élevée spécifique pour construire des couches uniformes de carbone (comme le graphène) sur un substrat de cuivre prétraité. Le groupe de recherche de Banerjee a établi un ensemble de techniques qui ont optimisé l'uniformité et la qualité du graphène, tout en contrôlant le nombre de couches de graphène qu'ils ont développées sur leur substrat.

Selon le Dr Wei Liu, chercheur post-doctoral et co-auteur de l'étude, "La croissance du graphène est fortement affectée par les sites d'imperfections sur le substrat de cuivre. Par un traitement approprié de la surface du cuivre et une sélection précise des paramètres de croissance, la qualité et l'uniformité du graphène sont considérablement améliorées et le nombre de couches de graphène peut être contrôlé."

Le professeur Banerjee et les auteurs crédités Wei Liu, Hong Li, Chuan Xu et Yasin Khatami ne sont pas la première équipe de recherche à fabriquer du graphène en utilisant la méthode CVD, mais ils sont les premiers à affiner avec succès des méthodes critiques pour produire un graphène de haute qualité. Autrefois, un défi clé pour la méthode CVD a été qu'elle donne une qualité inférieure de graphène en termes de mobilité des porteurs - ou à quel point il conduit les électrons. "Notre graphène présente la mobilité d'effet de champ la plus élevée signalée à ce jour pour le graphène CVD, ayant une valeur moyenne de 4000 cm2/V.s avec la valeur de crête la plus élevée à 5500 cm2/V.s. C'est une valeur extrêmement élevée par rapport à la mobilité du silicium." a ajouté Hong Li, un doctorat candidat dans le groupe de recherche de Banerjee.

"Le groupe de Kaustav Banerjee dirige les efforts de recherche en nanoélectronique du graphène à l'UCSB, de la synthèse de matériaux à la conception de dispositifs et à l'exploration de circuits. Son travail a fourni à notre campus des capacités uniques et très puissantes, " a ajouté David Awschalom, Professeur de physique, Génie électrique et informatique, et directeur du California NanoSystems Institute (CNSI) à l'UCSB où se trouve le laboratoire de Banerjee. « Cette nouvelle installation a également stimulé nos opportunités de collaboration dans diverses disciplines scientifiques et techniques. »

"Il ne fait aucun doute que le graphène est un matériau supérieur. Intrinsèquement, il est incroyable, " dit Banerjee. " C'est à nous, les scientifiques et les ingénieurs, pour montrer comment nous pouvons utiliser le graphène et exploiter ses capacités. Il y a des défis dans la façon de le cultiver, comment transférer ou ne pas transférer et le modeler, et comment adapter ses propriétés à des applications spécifiques. Mais ces défis sont un terrain fertile pour des recherches passionnantes à l'avenir. »