Il s'agit d'une vue en perspective au microscope à force atomique (AFM) de tranchées graphitées de 18 nanomètres de profondeur. Crédit : Institut de technologie de Géorgie
En fabriquant des structures de graphène sur des « marches » à l'échelle nanométrique gravées dans du carbure de silicium, les chercheurs ont pour la première fois créé une bande interdite électronique substantielle dans le matériau adapté à l'électronique à température ambiante. L'utilisation de la topographie à l'échelle nanométrique pour contrôler les propriétés du graphène pourrait faciliter la fabrication de transistors et d'autres dispositifs, ouvrant potentiellement la porte au développement de circuits intégrés tout carbone.
Les chercheurs ont mesuré une bande interdite d'environ 0,5 électron-volt dans des sections pliées de 1,4 nanomètre de nanorubans de graphène. Le développement pourrait donner une nouvelle direction au domaine de l'électronique au graphène, qui a lutté avec le défi de créer la bande interdite nécessaire au fonctionnement des appareils électroniques.
« C'est une nouvelle façon de penser à la fabrication d'électronique à grande vitesse au graphène, " dit Edouard Conrad, professeur à l'École de physique du Georgia Institute of Technology. « Nous pouvons maintenant envisager sérieusement de fabriquer des transistors rapides à partir de graphène. Et parce que notre processus est évolutif, si nous pouvons faire un transistor, nous pouvons potentiellement en fabriquer des millions."
Les résultats devaient être publiés le 18 novembre dans le journal Physique de la nature . La recherche, réalisé au Georgia Institute of Technology à Atlanta et à SOLEIL, le Centre de rayonnement synchrotron français, a été soutenu par le Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) de la National Science Foundation à Georgia Tech, le W.M. Fondation Keck et le Fonds Universitaire Partenaire de l'Ambassade de France.
Les chercheurs ne comprennent pas encore pourquoi les nanorubans de graphène deviennent semi-conducteurs lorsqu'ils se plient pour entrer dans de minuscules étapes - d'environ 20 nanomètres de profondeur - qui sont découpées dans les plaquettes de carbure de silicium. Mais les chercheurs pensent que la contrainte induite lorsque le réseau de carbone se plie, avec le confinement des électrons, peuvent être des facteurs créant la bande interdite. Les nanorubans sont composés de deux couches de graphène.
La production des structures semi-conductrices en graphène commence par l'utilisation de faisceaux électroniques pour découper des tranchées dans des plaquettes de carbure de silicium, qui sont normalement polis pour créer une surface plane pour la croissance du graphène épitaxié. A l'aide d'un four à haute température, des dizaines de milliers de rubans de graphène sont ensuite cultivés sur les marches, en utilisant la photolithographie.
Au cours de la croissance, les arêtes vives des "tranchées" taillées dans le carbure de silicium deviennent plus lisses à mesure que le matériau tente de retrouver sa surface plane. Le temps de croissance doit donc être soigneusement contrôlé pour éviter que les éléments étroits en carbure de silicium ne fondent trop.
Il s'agit d'une vue de dessus au microscope à force atomique (AFM) de nanorubans de graphène à paroi latérale montrant leur ordre à longue distance. Crédit : Institut de technologie de Géorgie
La fabrication du graphène doit également être contrôlée le long d'une direction spécifique afin que le réseau d'atomes de carbone se développe dans les marches le long de la direction "fauteuil" du matériau. "C'est comme essayer de plier une longueur de clôture grillagée, " expliqua Conrad. " Il ne veut se plier que dans un sens. "
La nouvelle technique permet non seulement la création d'une bande interdite dans le matériau, mais potentiellement aussi la fabrication de circuits intégrés entiers à partir de graphène sans avoir besoin d'interfaces qui introduisent une résistance. De part et d'autre de la section semi-conductrice du graphène, les nanorubans conservent leurs propriétés métalliques.
"Nous pouvons faire des milliers de ces tranchées, et nous pouvons les faire n'importe où nous voulons sur la plaquette, " a déclaré Conrad. "C'est plus que du graphène semi-conducteur. Le matériau aux coudes est semi-conducteur, et il est attaché au graphène en continu des deux côtés. Il s'agit essentiellement d'une jonction barrière Shottky."
En faisant pousser le graphène le long d'un bord de la tranchée, puis de l'autre côté, les chercheurs pourraient en théorie produire deux barrières Shottky connectées – un composant fondamental des dispositifs à semi-conducteurs. Conrad et ses collègues travaillent maintenant à fabriquer des transistors sur la base de leur découverte.
La confirmation de la bande interdite est venue des mesures de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire effectuées au Synchrotron CNRS en France. Là, les chercheurs ont tiré de puissants faisceaux de photons dans des réseaux de nanorubans de graphène et mesuré les électrons émis.
"Vous pouvez mesurer l'énergie des électrons qui sortent, et vous pouvez mesurer la direction d'où ils sortent, " dit Conrad. " D'après cette information, vous pouvez travailler en arrière pour obtenir des informations sur la structure électronique des nanorubans."
Les théoriciens avaient prédit que la flexion du graphène créerait une bande interdite dans le matériau. Mais la bande interdite mesurée par l'équipe de recherche était plus grande que ce qui avait été prédit.
Au-delà de la construction de transistors et d'autres appareils, dans des travaux futurs, les chercheurs tenteront d'en savoir plus sur ce qui crée la bande interdite - et comment la contrôler. La propriété peut être contrôlée par l'angle de courbure du nanoruban de graphène, qui peut être contrôlé en modifiant la profondeur de la marche.
"Si vous essayez de poser un tapis sur une petite imperfection du sol, le tapis passera dessus et vous ne savez peut-être même pas que l'imperfection est là, " expliqua Conrad. " Mais si tu dépasses une marche, tu peux dire. Il y a probablement une gamme de hauteurs dans lesquelles nous pouvons affecter le virage."
Il prédit que la découverte créera une nouvelle activité alors que d'autres chercheurs sur le graphène tenteront d'utiliser les résultats.
"Si vous pouvez faire la démonstration d'un appareil rapide, ça va intéresser beaucoup de monde, " dit Conrad. " Si cela fonctionne à grande échelle, il pourrait lancer un marché de niche pour le haut débit, appareils électroniques de grande puissance."
