Les scientifiques de l'Université Rice ont franchi une étape importante vers la création d'une électronique bidimensionnelle avec un processus permettant de créer des motifs dans des couches d'épaisseur atomique qui combinent un conducteur et un isolant.

Les matériaux en jeu – le graphène et le nitrure de bore hexagonal – ont été fusionnés en feuilles et intégrés dans une variété de motifs à des dimensions nanométriques.

Rice a introduit une technique pour assembler des matériaux de structure identique il y a près de trois ans. Depuis, l'idée a reçu beaucoup d'attention de la part des chercheurs intéressés par la perspective de construire en 2D, circuits à couche atomique, a déclaré Pulickel Ajayan, scientifique en matériaux de riz. Il est l'un des auteurs du nouvel ouvrage qui paraît cette semaine dans Nature Nanotechnologie . En particulier, Ajayan a noté que les scientifiques de l'Université Cornell ont signalé une avancée à la fin de l'année dernière dans l'art de fabriquer des hétérostructures de couches atomiques grâce à des schémas de croissance séquentielle.

La contribution de Rice cette semaine offre aux fabricants la possibilité de réduire les appareils électroniques dans des emballages encore plus petits. Alors que les capacités techniques de Rice limitaient les fonctionnalités à une résolution d'environ 100 nanomètres, les seules vraies limites sont celles définies par les techniques lithographiques modernes, selon les chercheurs. (Un nanomètre est un milliardième de mètre.)

"Il devrait être possible de faire des appareils entièrement fonctionnels avec des circuits 30, même 20 nanomètres de large, le tout en deux dimensions, " a déclaré le chercheur de Rice Jun Lou, un co-auteur du nouveau document. Cela ferait des circuits à peu près à la même échelle que dans la fabrication actuelle de semi-conducteurs, il a dit.

Le graphène a été présenté comme un matériau miracle depuis sa découverte au cours de la dernière décennie. Même à un atome d'épaisseur, le réseau hexagonal d'atomes de carbone a prouvé son potentiel en tant que matériau électronique fascinant. Mais pour construire un appareil fonctionnel, les conducteurs seuls ne suffiront pas. L'électronique à base de graphène nécessite des matériaux 2-D compatibles pour d'autres composants, et les chercheurs ont découvert que le nitrure de bore hexagonal (h-BN) fonctionne bien comme isolant.

H-BN ressemble au graphène, avec le même réseau atomique en fil de fer. Les travaux antérieurs de Rice ont montré que la fusion du graphène et du h-BN par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) créait des feuilles avec des pools des deux qui permettaient un certain contrôle des propriétés électroniques du matériau. Ajayan a déclaré à l'époque que la création offrait "un grand terrain de jeu pour les scientifiques des matériaux".

Il a depuis conclu que le domaine des matériaux bidimensionnels au-delà du graphène « s'est considérablement développé et deviendra l'un des principaux matériaux passionnants dans un proche avenir ».

Sa prédiction porte ses fruits dans la nouvelle œuvre, dans lequel des motifs finement détaillés de graphène sont entrelacés dans des espaces créés dans des feuilles de h-BN. Peignes, barres, des anneaux concentriques et même des hiboux de riz microscopiques ont été déposés par un processus lithographique. L'interface entre les éléments, visible clairement dans les images au microscope électronique à transmission à balayage prises aux laboratoires nationaux d'Oak Ridge, montre une transition très nette du graphène au h-BN le long d'une ligne subnanométrique.

"Ce n'est pas une simple courtepointe, " dit Lou. " C'est très précisément conçu. Nous pouvons contrôler les tailles de domaine et les formes de domaine, les deux sont nécessaires pour fabriquer des appareils électroniques. »

La nouvelle technique a également commencé avec CVD. Auteur principal Zheng Liu, un chercheur scientifique sur le riz, et ses collègues ont d'abord posé une feuille de h-BN. Des masques photorésistants découpés au laser ont été placés sur le h-BN, et le matériau exposé a été décapé avec du gaz argon. (Un système de faisceau d'ions focalisé a ensuite été utilisé pour créer des motifs encore plus fins, jusqu'à une résolution de 100 nanomètres, sans masques.) Une fois les masques lavés, le graphène a été cultivé par CVD dans les espaces ouverts, où il s'est collé bord à bord avec le h-BN. La couche hybride pourrait alors être récupérée et placée sur n'importe quel substrat.

Bien qu'il reste encore beaucoup à faire pour caractériser les liaisons atomiques où se rencontrent les domaines du graphène et du h-BN et pour analyser les défauts potentiels le long des frontières, Les mesures électriques de Liu ont prouvé que les qualités des composants restent intactes.

"Une chose importante que Zheng a montrée est que même en faisant toutes sortes de croissance, puis gravure, puis repousse, les propriétés intrinsèques de ces deux matériaux ne sont pas affectées, » dit Lou. « Les isolants restent des isolants; ils ne sont pas dopés par le carbone. Et le graphène a toujours l'air très bien. C'est important, parce que nous voulons être sûrs que ce que nous cultivons est exactement ce que nous voulons."

Liu a déclaré que la prochaine étape consiste à placer un troisième élément, un semi-conducteur, dans le tissu 2D. "Nous essayons très fort d'intégrer cela dans la plate-forme, " dit-il. " Si nous pouvons le faire, nous pouvons construire des dispositifs véritablement intégrés dans le plan. » Cela offrirait de nouvelles options aux fabricants jouant avec l'idée d'une électronique flexible, il a dit.

"La contribution de cet article est de démontrer le processus général, " ajouta Lou. " C'est robuste, c'est reproductible et ça crée des matériaux avec de très belles propriétés et avec des dimensions qui sont à la limite de ce qui est possible."