Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) ont découvert une nouvelle tournure unique à l'histoire du graphène, des feuilles de carbone pur d'une épaisseur d'un atome seulement, et dans le processus semblent avoir résolu un mystère qui a freiné le développement de l'appareil.

Les électrons peuvent traverser le graphène presque à la vitesse de la lumière – 100 fois plus vite qu'ils ne traversent le silicium. En plus d'être ultramince et ultrarapide lorsqu'il s'agit de conduire les électrons, le graphène est également super fort et super flexible, ce qui en fait un matériau potentiel de superstar dans les domaines de l'électronique et de la photonique, la base d'une multitude d'appareils, à commencer par les transistors ultrarapides. Un gros problème, cependant, a été que la conduction électronique du graphène ne peut pas être complètement arrêtée, une exigence essentielle pour les dispositifs marche/arrêt.

Le problème marche/arrêt provient des monocouches de graphène n'ayant pas de bande interdite - des plages d'énergie dans lesquelles aucun état électronique ne peut exister. Sans bande interdite, il n'y a aucun moyen de contrôler ou de moduler le courant électronique et donc aucun moyen de réaliser pleinement l'énorme promesse du graphène dans les appareils électroniques et photoniques. Les chercheurs du Berkeley Lab ont pu concevoir des bandes interdites contrôlées avec précision dans le graphène bicouche grâce à l'application d'un champ électrique externe. Cependant, lorsque les appareils ont été fabriqués avec ces bandes interdites, les appareils se comportaient étrangement, comme si la conduction dans ces bandes interdites n'avait pas été arrêtée. Pourquoi de tels dispositifs n'ont pas fonctionné a été un mystère scientifique jusqu'à présent.

Travaillant à la source lumineuse avancée (ALS) de Berkeley Lab, une installation nationale des utilisateurs du DOE, une équipe de recherche dirigée par le scientifique de la SLA Aaron Bostwick a découvert que dans l'empilement de monocouches de graphène, de subtils désalignements surviennent, créant une torsion presque imperceptible dans le graphène bicouche final. Aussi petite qu'elle soit - aussi petite que 0,1 degré - cette torsion peut entraîner des changements étonnamment importants dans les propriétés électroniques du graphène bicouche.

"L'introduction de la torsion génère une structure électronique complètement nouvelle dans le graphène bicouche qui produit des fermions de Dirac massifs et sans masse, " dit Bostwick. " La branche de fermion de Dirac sans masse produite par cette nouvelle structure empêche le graphène bicouche de devenir totalement isolant même sous un champ électrique très fort. Cela explique pourquoi le graphène bicouche n'a pas été à la hauteur des prédictions théoriques dans les appareils réels basés sur du graphène bicouche parfait ou non torsadé. »

Bostwick est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans la revue Matériaux naturels intitulé "Fermions de Dirac massifs et sans masse coexistants dans le graphène bicouche à symétrie brisée." Keun Su Kim de l'Institut Fritz Haber de Berlin est l'auteur principal. Les autres coauteurs sont Andrew Walter, Luca Moreschini, Thomas Seyller, Karsten Horn, et Eli Rotenberg, qui supervise la recherche à ALS Beamline 7.0.1.

Les monocouches de graphène n'ont pas de bande interdite - des plages d'énergie dans lesquelles aucun état électronique ne peut exister. Sans bande interdite, il n'y a aucun moyen de contrôler ou de moduler le courant électronique et donc aucun moyen de réaliser pleinement l'énorme promesse du graphène dans les appareils électroniques et photoniques. Les chercheurs du Berkeley Lab ont pu concevoir des bandes interdites contrôlées avec précision dans le graphène bicouche grâce à l'application d'un champ électrique externe. Cependant, lorsque les appareils ont été fabriqués avec ces bandes interdites, les appareils se comportaient étrangement, comme si la conduction dans ces bandes interdites n'avait pas été arrêtée.

Pour aller au fond de ce mystère, Rotenberg, Bostwick, Kim et leurs co-auteurs ont réalisé une série d'expériences de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) sur la ligne de lumière ALS 7.0.1. L'ARPES est une technique d'étude des états électroniques d'un matériau solide dans laquelle un faisceau de photons X frappant la surface du matériau provoque la photoémission d'électrons. L'énergie cinétique de ces photoélectrons et les angles sous lesquels ils sont éjectés sont ensuite mesurés pour obtenir un spectre électronique.

"La combinaison d'ARPES et de Beamline 7.0.1 nous a permis d'identifier facilement le spectre électronique à partir de la torsion dans le graphène bicouche, " dit Rotenberg. " Le spectre que nous avons observé était très différent de ce qui a été supposé et contient des branches supplémentaires constituées de fermions de Dirac sans masse. Ces nouveaux fermions de Dirac sans masse se déplacent d'une manière complètement inattendue régie par les couches torsadées de symétrie."

Fermions de Dirac sans masse, des électrons qui se comportent essentiellement comme s'ils étaient des photons, ne sont pas soumis aux mêmes contraintes de bande interdite que les électrons conventionnels. Dans leurs Matériaux naturels papier, les auteurs déclarent que les torsions qui génèrent ce spectre de fermions de Dirac sans masse peuvent être presque inévitables dans la fabrication du graphène bicouche et peuvent être introduites à la suite de seulement dix inadéquations atomiques dans un micron carré de graphène bicouche.

"Maintenant que nous comprenons le problème, nous pouvons rechercher des solutions, ", explique l'auteur principal Kim. "Par exemple, on peut essayer de développer des techniques de fabrication qui minimisent les effets de torsion, ou réduire la taille du graphène bicouche que nous fabriquons afin que nous ayons une meilleure chance de produire un matériau localement pur."

Au-delà de la résolution d'un mystère de graphène bicouche, Kim et ses collègues disent que la découverte de la torsion établit un nouveau cadre sur lequel diverses propriétés fondamentales du graphène bicouche peuvent être prédites avec plus de précision.

"Une leçon apprise ici est que même une distorsion structurelle aussi minime des matériaux à l'échelle atomique ne doit pas être écartée pour décrire les propriétés électroniques de ces matériaux de manière complète et précise, " dit Kim.