(Phys.org) -- Les chercheurs ont observé le graphène pour la première fois en 2004 en extrayant les feuilles de carbone d'un seul atome d'épaisseur à partir de graphite en vrac. Alors que les propriétés électriques et optiques du graphène se sont avérées avoir un potentiel extraordinaire pour de nombreuses applications, créer des structures atomiquement précises à partir de graphène reste un défi. Dans un effort pour améliorer la convivialité du graphène, les scientifiques ont cherché un moyen de fabriquer du graphène artificiel, qui pourrait servir de structure utile où les dispositifs peuvent être facilement testés avant leur mise en œuvre avec du graphène naturel. Maintenant dans une nouvelle étude, les scientifiques ont identifié tous les principaux critères requis pour fabriquer du graphène artificiel, qui pourrait fournir un guide pour la réalisation expérimentale du matériau.

L'équipe de scientifiques, d'institutions en République tchèque, La France, Canada, et les États-Unis, a publié son article sur la création de graphène artificiel dans un récent numéro de la Nouveau Journal de Physique .

« Le concept attrayant du graphène artificiel est apparu peu de temps après la fabrication du « vrai » graphène, » co-auteur Lukas Nádvorník de l'Université Charles et de l'Institut de physique, ASCR, tous deux à Prague, République Tchèque, Raconté Phys.org . « Ce concept suggère de tirer parti de semi-conducteurs bidimensionnels de haute qualité, qui sont aujourd'hui couramment disponibles, et de fabriquer sur leur base un nouveau cristal avec un réseau en nid d'abeille créé « artificiellement », typique du graphène. En d'autres termes, utiliser les technologies actuelles pour imiter la nature.

Bien que les chercheurs essaient de fabriquer du graphène artificiel depuis quelques années, personne n'a encore réussi. Ici, en identifiant toutes les exigences les plus importantes, les scientifiques espèrent changer cela.

"Pour la première fois, nous avons pu extraire tous les paramètres pertinents pour le graphène artificiel et suggérer leur combinaison appropriée, qui devrait conduire à la réussite de ce système, " a déclaré le co-auteur Milan Orlita de l'Université Charles, l'Institut de physique, ASCR, et le Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses à Grenoble, La France. « Ceci est utile pour nos travaux futurs, mais aussi d'autres groupes travaillant dans ce domaine pourraient en profiter. Notre travail ne représente pas un véritable jalon dans le graphène artificiel; néanmoins, nous pensons qu'un pas important vers sa fabrication a été fait.

Les chercheurs ont ajouté que la fabrication expérimentale de graphène artificiel à l'avenir sera difficile, mais faisable.

"Nous ne voyons aucun obstacle principal empêchant la fabrication de graphène artificiel - mais technologiquement, c'est un problème assez délicat, " a déclaré le coauteur Karel Výborný de l'Institut de physique, ASCR, et l'Université de Buffalo-SUNY à Buffalo, New York. « Il faut trouver une combinaison appropriée d'un certain nombre de paramètres fins tels que la densité de porteurs, force du potentiel de modulation, constante de réseau, etc. Notre travail est probablement le premier qui aborde le problème systématiquement et compare quantitativement les résultats expérimentaux avec les critères formulés théoriquement.

Le graphène artificiel présente certains avantages par rapport au graphène naturel, telle qu'une structure cristalline dont la forme peut être variée. Comme l'ont expliqué les chercheurs, la structure cristalline du graphène naturel est fixe :il s'agit d'un réseau parfait en nid d'abeille avec une distance carbone-carbone de 0,142 nanomètre. En revanche, graphène artificiel préparé à partir de multicouches semi-conductrices (par exemple, au moyen d'une lithographie par faisceau d'électrons) n'est pas limitée par une forme de réseau précise ou une constante de réseau précise.

« Il est également relativement facile de fabriquer des appareils spécifiques, ' c'est à dire., graphène artificiel façonné en rayures, jonctions, etc., », a déclaré Nádvornik. « Avec du graphène naturel, il est difficile (mais pas impossible !) de créer des structures atomiquement précises. On pourrait d'abord tester de tels « dispositifs » avec du graphène artificiel et, s'ils s'avèrent utiles, tenter de les reproduire avec du graphène naturel.

Nádvorník a expliqué que les chercheurs tentent depuis longtemps de créer divers types de cristaux artificiels afin d'explorer leur mécanique quantique, mais ce qui rend le graphène unique, c'est le comportement de ses électrons, appelés fermions de Dirac.

"Fabrication de super-réseaux bidimensionnels avec des constantes de réseau autour de 100 nanomètres (moins d'un centième de l'épaisseur d'un cheveu humain), dont le graphène artificiel est un exemple, remonte aux années 90, " il a dit. "Ce qui n'a pas été remarqué à cette époque, ce sont les fermions de Dirac - une caractéristique particulière du graphène artificiel. Dans notre travail, nous énonçons clairement quatre critères que l'on doit remplir pour observer les fermions de Dirac dans une structure semi-conductrice artificielle. Grosso modo, alors que la course est en place depuis 2009 pour observer une certaine manifestation des fermions de Dirac dans le graphène artificiel, nous montrons comment tester les critères individuels séparément. Lorsque tous les critères sont remplis, on peut espérer observer les fermions de Dirac.

Il a expliqué que les fermions de Dirac ne font pas seulement du graphène ce qu'il est, mais aussi donner un aperçu d'autres domaines de la physique.

« C'est juste la symétrie hexagonale qui est responsable de l'apparition des fermions de Dirac, », a déclaré Nádvornik. «Ce sont des électrons qui se déplacent dans des cristaux de graphène (artificiels) dont la masse effective disparaît. Ils ressemblent étroitement à des particules ultra-relativistes et leur mouvement peut être, peut-être étonnamment, décrit à l'aide d'équations typiques de la physique relativiste. Les fermions de Dirac dans le graphène (peu importe qu'il s'agisse de graphène artificiel ou réel) interconnectent ainsi la physique du solide et l'électrodynamique quantique relativiste, deux branches très différentes de la physique moderne.

À l'avenir, les chercheurs prévoient de franchir les prochaines étapes vers la réalisation expérimentale de graphène artificiel.

"C'est l'une des conclusions de nos travaux qu'un moyen viable de créer du graphène artificiel est de réduire davantage la constante de réseau (périodicité du potentiel appliqué) jusqu'à des dizaines de nanomètres, », a déclaré Nádvornik. « Pour y parvenir, nous prévoyons d'appliquer la lithographie par faisceau d'électrons avec des résolutions encore plus élevées que celles utilisées jusqu'à présent, ou profitez de la technologie des faisceaux d'ions focalisés. Nous espérons que nous serons en mesure de fournir des preuves des fermions de Dirac dans le graphène artificiel en utilisant un large éventail de techniques expérimentales disponibles (spectroscopie infrarouge/THz ou visible ou transport électronique).

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