Fabriquer des composants électroniques à l'aide de graphène, un matériau composé d'une seule couche d'atomes de carbone, est l'un des défis technologiques majeurs d'aujourd'hui. Les chercheurs espèrent exploiter la mobilité électronique exceptionnelle du graphène et également utiliser le matériau pour concevoir des produits à faible coût, électronique flexible. Les équipes de recherche du CEA, CNRS, L'Université de Lille 1 et l'Université Northwestern ont mis au point un nouveau procédé de fabrication de transistors alliant flexibilité et mobilité électronique et capables de travailler à de très hautes fréquences dans la gamme du GHz. Le procédé utilise une forme de graphène en solution compatible avec les techniques d'impression. De tels composants électroniques devraient conduire au développement de circuits électroniques performants intégrés aux objets du quotidien.

Les résultats sont parus dans la revue Lettres nano le 14 mars, 2012.

Graphène, un matériau constitué d'une seule couche d'atomes de carbone hexagonaux, possède des propriétés exceptionnelles. En particulier, sa grande mobilité électronique devrait aider les composants électroniques à fonctionner à très hautes fréquences. Ses propriétés mécaniques le rendent également flexible. Ces deux propriétés – mobilité électronique et flexibilité – pourraient être utilement utilisées pour fabriquer des composants et circuits électroniques pour diverses applications, comme le développement d'écrans souples et de transistors et composants électroniques très performants à faible coût.

Plusieurs méthodes de synthèse du graphène sont actuellement disponibles. L'un d'eux consiste à produire du graphène sous forme de solution de minuscules particules, quelques centaines de nanomètres de diamètre, qui sont stabilisés dans l'eau par des tensioactifs. La méthode de synthèse utilisée pour obtenir l'« encre conductrice » résultante permet de ne sélectionner que des feuilles monocouches qui présentent des propriétés électroniques remarquables (au lieu d'une combinaison de graphène monocouche et multicouche). Autre particularité, les composants peuvent être réalisés sur une très large gamme de supports, y compris le verre, papier ou substrats organiques.

Les équipes de recherche du CEA, CNRS, L'Université de Lille 1 et la Northwestern University ont développé le tout premier procédé de fabrication de transistors flexibles à partir de graphène solubilisé sur des substrats de polyimide (un polymère thermostable). Ils ont ensuite réalisé une étude approfondie des performances à haute fréquence de ces transistors.

Dans le processus développé par les chercheurs, des feuilles de graphène en solution sont déposées sur le substrat avec un champ électrique alternatif appliqué entre des électrodes réalisées au préalable. Cette technique, connu sous le nom de diélectrophorèse ou DEP, est utilisé pour guider le processus de dépôt de graphène afin d'obtenir une forte densité de feuilles déposées à certains endroits. Cette densité est essentielle pour obtenir des performances haute fréquence exceptionnelles. La mobilité des charges dans les transistors est de l'ordre de 100 cm2/V.s, une valeur bien supérieure à celle obtenue avec des molécules semi-conductrices ou des polymères. Ces transistors atteignent ainsi des fréquences très élevées – autour de 8 GHz – un niveau de performances encore jamais atteint en électronique organique !

Les résultats montrent que le graphène « encre conductrice » est un matériau hautement compétitif pour la réalisation d'applications électroniques flexibles dans une gamme de hautes fréquences (GHz) qui est complètement hors de portée des semi-conducteurs organiques conventionnels. Cette nouvelle génération de transistors offre d'excellentes perspectives pour de nombreuses applications, y compris les écrans souples (pliables ou enroulables), appareils électroniques intégrés dans des tissus ou d'autres objets du quotidien, tels que les étiquettes RFID, capable de traiter et de transmettre des informations.