Les défauts au niveau atomique du graphène pourraient être une voie vers des appareils électroniques plus petits et plus rapides, selon une étude menée par des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie.

Avec des propriétés uniques et des applications potentielles dans des domaines allant de l'électronique aux biodispositifs, graphène, qui se compose d'une seule feuille d'atomes de carbone, a été saluée comme une étoile montante dans le monde des matériaux. Maintenant, une étude de l'ORNL publiée dans Nature Nanotechnologie suggère que les défauts ponctuels, composé d'atomes de silicium qui remplacent les atomes de carbone individuels dans le graphène, pourrait aider les tentatives de transfert de données à l'échelle atomique en couplant la lumière avec des électrons.

"Dans cette expérience de preuve de concept, nous avons montré qu'un petit fil composé d'une paire d'atomes de silicium simples dans le graphène peut être utilisé pour convertir la lumière en un signal électronique, transmettre le signal puis reconvertir le signal en lumière, " a déclaré le coauteur Juan-Carlos Idrobo, qui détient un poste conjoint à l'ORNL et à l'Université Vanderbilt.

Une équipe dirigée par l'ORNL a découvert ce nouveau comportement en utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage avec correction des aberrations pour imager la réponse du plasmon, ou des signaux de type optique, des défauts ponctuels. L'analyse de l'équipe a révélé que les atomes de silicium agissent comme des antennes de taille atomique, l'amélioration de la réponse locale des plasmons de surface du graphène, et la création d'un dispositif plasmonique prototype.

"L'idée avec les dispositifs plasmoniques est qu'ils peuvent convertir des signaux optiques en signaux électroniques, " dit Idrobo. " Donc, vous pourriez faire des fils vraiment minuscules, mettre de la lumière d'un côté du fil, et ce signal sera transformé en excitations électroniques collectives appelées plasmons. Les plasmons vont transmettre le signal à travers le fil, sors de l'autre côté et sois reconverti à la lumière."

Bien que d'autres dispositifs plasmoniques aient été démontrés, les recherches antérieures sur les plasmons de surface se sont principalement concentrées sur les métaux, qui a limité l'échelle à laquelle le transfert de signal se produit.

"Lorsque les chercheurs utilisent du métal pour des dispositifs plasmoniques, ils ne peuvent généralement descendre qu'à 5 - 7 nanomètres, " a déclaré le co-auteur Wu Zhou. " Mais quand vous voulez faire des choses plus petites, vous voulez toujours connaître la limite. Personne ne pensait que nous pouvions descendre à un seul niveau atomique."

Une analyse approfondie au niveau d'un seul atome a été rendue possible grâce à l'accès de l'équipe à un microscope électronique qui fait partie de l'installation utilisateur Shared Research Equipment (ShaRE) de l'ORNL.

"C'est l'un des rares microscopes électroniques au monde que nous pouvons utiliser pour regarder et étudier des matériaux et obtenir une cristallographie, chimie, liaison, propriétés optiques et plasmoniques à l'échelle atomique avec une sensibilité à un seul atome et aux basses tensions, " a déclaré Idrobo. "C'est un microscope idéal pour les personnes qui souhaitent rechercher des matériaux à base de carbone, comme le graphène."

En plus de ses observations microscopiques, l'équipe de l'ORNL a utilisé des calculs théoriques des premiers principes pour confirmer la stabilité des défauts ponctuels observés. Le papier complet, intitulé "Amélioration du plasmon atomiquement localisé dans le graphène monocouche, " est disponible en ligne ici :http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2011.252.html.