Dans un article publié cette semaine dans Science , une équipe de Manchester dirigée par les lauréats du prix Nobel, le professeur Andre Geim et le professeur Konstantin Novoselov, a littéralement ouvert une troisième dimension dans la recherche sur le graphène. Leurs recherches montrent un transistor qui pourrait s'avérer le chaînon manquant pour que le graphène devienne le prochain silicium.

Le graphène - un plan atomique de carbone - est un matériau remarquable avec des propriétés uniques infinies, de l'électronique à la chimie et de l'optique à la mécanique.

L'une des nombreuses applications potentielles du graphène est son utilisation comme matériau de base pour les puces informatiques au lieu du silicium. Ce potentiel a alerté l'attention des principaux fabricants de puces, dont IBM, Samsung, Texas Instruments et Intel. Des transistors individuels à très hautes fréquences (jusqu'à 300 GHz) ont déjà été démontrés par plusieurs groupes dans le monde.

Malheureusement, ces transistors ne peuvent pas être emballés de manière dense dans une puce informatique car ils fuient trop de courant, même dans l'état le plus isolant du graphène. Ce courant électrique ferait fondre les puces en une fraction de seconde.

Ce problème existe depuis 2004, lorsque les chercheurs de Manchester ont rapporté leurs découvertes sur le graphène, lauréat du prix Nobel et, malgré un énorme effort mondial pour le résoudre depuis lors, aucune solution réelle n'a été proposée jusqu'à présent.

Les scientifiques de l'Université de Manchester suggèrent désormais d'utiliser le graphène non pas latéralement (dans le plan) - comme toutes les études précédentes l'ont fait - mais dans le sens vertical. Ils ont utilisé le graphène comme électrode à partir de laquelle les électrons ont traversé un diélectrique dans un autre métal. C'est ce qu'on appelle une diode tunnel.

Ensuite, ils ont exploité une caractéristique vraiment unique du graphène - qu'une tension externe peut fortement modifier l'énergie des électrons tunnel. En conséquence, ils ont obtenu un nouveau type de dispositif - un transistor à effet tunnel à effet de champ vertical dans lequel le graphène est un ingrédient essentiel.

Dr Léonid Ponomarenko, qui a dirigé l'effort expérimental, a déclaré:"Nous avons prouvé une nouvelle approche conceptuelle de l'électronique au graphène. Nos transistors fonctionnent déjà assez bien. Je pense qu'ils peuvent être encore améliorés, réduit à des tailles nanométriques et fonctionne à des fréquences inférieures au THz."

"C'est une nouvelle perspective pour la recherche sur le graphène et les chances pour l'électronique à base de graphène n'ont jamais été meilleures qu'elles ne le sont maintenant", ajoute le professeur Novoselov.

Le graphène seul ne suffirait pas à faire la percée. Heureusement, il y a beaucoup d'autres matériaux, qui n'ont qu'un atome ou une molécule d'épaisseur, et ils ont été utilisés pour l'aide.

L'équipe de Manchester a fabriqué les transistors en combinant du graphène avec des plans atomiques de nitrure de bore et de bisulfure de molybdène. Les transistors ont été assemblés couche par couche dans un ordre souhaité, comme un gâteau en couches mais à l'échelle atomique.

De telles superstructures en couches n'existent pas dans la nature. Il s'agit d'un concept entièrement nouveau introduit dans le rapport par les chercheurs de Manchester. L'assemblage à l'échelle atomique offre de nombreux nouveaux degrés de fonctionnalité, sans lesquels le transistor à effet tunnel serait impossible.

"Le transistor démontré est important mais le concept d'assemblage de couches atomiques est probablement encore plus important, " explique le professeur Geim. Le professeur Novoselov a ajouté :" Le transistor tunnel n'est qu'un exemple de la collection inépuisable de structures en couches et de nouveaux dispositifs qui peuvent désormais être créés par un tel assemblage.

« Cela offre vraiment des possibilités infinies à la fois pour la physique fondamentale et pour les applications. D'autres exemples possibles incluent les diodes électroluminescentes, appareils photovoltaïques, etc."