Lorsqu'une feuille de graphène se trouve au sommet d'une feuille de nitrure de bore à un angle, un motif hexagonal secondaire émerge qui détermine la façon dont les électrons circulent à travers l'échantillon. Crédit :Brian LeRoy
(PhysOrg.com) -- Les physiciens de l'Université de l'Arizona font des découvertes qui pourraient faire progresser la technologie des circuits électroniques.
Graphite, plus communément appelée mine de crayon, pourrait devenir la prochaine grande chose dans la quête d'électronique plus petite et moins gourmande en énergie.
Ressemblant à du grillage à l'échelle nanométrique, le graphène - des feuilles simples de graphite - n'a qu'un atome d'épaisseur, ce qui en fait le matériau le plus fin au monde. Deux millions de feuilles de graphène empilées ne seraient pas aussi épaisses qu'une carte de crédit.
La partie délicate des physiciens n'a pas encore trouvé comment contrôler le flux d'électrons à travers le matériau, un préalable nécessaire à sa mise en œuvre dans tout type de circuit électronique. Le graphène se comporte très différemment du silicium, le matériau actuellement utilisé dans les semi-conducteurs.
L'année dernière, une équipe de recherche dirigée par des physiciens de l'UA a franchi le premier obstacle en identifiant le nitrure de bore, un matériau structurellement identique mais non conducteur, comme surface de montage appropriée pour les feuilles de graphène à un seul atome. L'équipe a également montré qu'en plus de fournir un soutien mécanique, Le nitrure de bore améliore les propriétés électroniques du graphène en lissant les fluctuations des charges électroniques.
L'équipe a maintenant découvert que le nitrure de bore influence également la façon dont les électrons se déplacent à travers le graphène. Publié dans Physique de la nature , les résultats ouvrent de nouvelles voies pour contrôler le flux d'électrons à travers le graphène.
"Si vous voulez faire un transistor par exemple, vous devez être capable d'arrêter le flux d'électrons, " a déclaré Brian LeRoy, professeur adjoint au département de physique de l'Université de l'Arizona. "Mais dans le graphène, les électrons ne font que continuer. C'est difficile de les arrêter."
LeRoy a déclaré que les effets de la mécanique quantique relativiste qui entrent en jeu à l'échelle atomique font que les électrons se comportent d'une manière qui va à l'encontre de nos expériences quotidiennes sur la façon dont les objets devraient se comporter.
Prenez des balles de tennis, par exemple.
Les membres du laboratoire Matthew Yankowitz, Daniel Cormode et Brian LeRoy (de gauche à droite) utilisent un microscope à effet tunnel pour rendre visibles les structures atomiques des feuilles de graphène. Crédit :Beatriz Verdugo/UANews
"Normalement, quand tu lances une balle de tennis contre un mur, ça rebondit, " dit LeRoy. " Maintenant, pensez aux électrons comme à des balles de tennis. Avec des effets de mécanique quantique, il y a une chance que la balle passe à travers et finisse de l'autre côté. Dans le graphène, la balle passe 100 pour cent du temps."
Ce comportement étrange rend difficile le contrôle de la destination des électrons dans le graphène. Cependant, comme le groupe de LeRoy l'a maintenant découvert, le montage de graphène sur du nitrure de bore empêche une partie des électrons de passer de l'autre côté, un premier pas vers un flux d'électrons plus contrôlé.
Le groupe a réalisé cet exploit en plaçant des feuilles de graphène sur du nitrure de bore à certains angles, entraînant le chevauchement des structures hexagonales dans les deux matériaux de telle sorte que secondaire, des motifs hexagonaux plus grands sont créés. Les chercheurs appellent cette structure un super-réseau.
Si l'angle est juste, ils ont trouvé, un point est atteint où presque aucun électron ne passe.
"Vous pourriez dire que nous avons créé des trous dans le mur, " LeRoy a dit, " et dès que le mur est troué, nous constatons que certaines balles de tennis ne passent plus. C'est le contraire de ce que vous attendez. Cela vous montre à quel point c'est bizarre. Tout est dû à ces effets quantiques relativistes."
La découverte rapproche un peu plus la technologie de la capacité de contrôler un jour le flux d'électrons à travers le graphène, ont déclaré les auteurs de l'article.
"L'effet dépend de la taille du motif hexagonal résultant des feuilles qui se chevauchent, " a expliqué Matthew Yankowitz, un étudiant diplômé de première année dans le laboratoire de LeRoy et l'auteur principal de l'étude.
Le motif, il expliqua, crée une modulation périodique du potentiel - imaginez une balle roulant sur une boîte d'œufs.
"C'est un effet purement électronique provoqué par la structure des deux matériaux et la façon dont ils se superposent, " Yankowitz a déclaré. "C'est similaire au motif moiré que vous voyez quand quelqu'un porte une chemise rayée à la télévision."
A partir de maintenant, les chercheurs ne sont pas encore en mesure de contrôler comment le graphène et le nitrure de bore finissent par s'orienter l'un par rapport à l'autre lorsqu'ils combinent les deux matériaux. Par conséquent, ils font de nombreux échantillons et vérifient la structure de chacun au microscope électronique.
"Avec notre microscope à effet tunnel, nous pouvons obtenir une image de chaque super-réseau et mesurer sa taille, " Yankowitz a déclaré. "Nous prenons une photo et voyons à quoi ressemble le motif. Si le motif hexagonal est trop petit, les échantillons ne sont pas bons et nous les jetons."
Yankowitz a déclaré qu'environ 10 à 20 pour cent des échantillons ont montré l'effet souhaité.
S'il devient possible un jour d'automatiser ce processus, la microélectronique à base de graphène pourrait être en bonne voie pour nous propulser de l'âge du silicium à l'âge du graphène.
L'étude de recherche est une collaboration entre le laboratoire de LeRoy et des chercheurs du MIT à Cambridge, Masse., l'Institut national des sciences des matériaux de Tsukuba, le Japon et l'Université de Genève, La Suisse. La partie UA du projet a été financée par des subventions du US Army Research Office et de la National Science Foundation.
