Une équipe de chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS), dirigé par le professeur Loh Kian Ping, qui dirige le département de chimie de la faculté des sciences de la NUS, a développé avec succès une méthode innovante en une étape pour faire croître et transférer du graphène de haute qualité sur du silicium et d'autres substrats rigides, ouvrant des possibilités d'utilisation du graphène dans des applications à haute valeur ajoutée qui ne sont actuellement pas réalisables sur le plan technologique.

Cette percée, inspiré par la façon dont les coléoptères et les rainettes gardent leurs pieds attachés aux feuilles submergées, est la première technique publiée qui réalise à la fois les étapes de croissance et de transfert du graphène sur une plaquette de silicium. Cette technique permet l'application technologique du graphène en photonique et en électronique, pour les appareils tels que les modulateurs optoélectroniques, transistor, biocapteurs sur puce et barrières tunnel.

L'innovation a été publiée pour la première fois en ligne dans une prestigieuse revue scientifique La nature le 11 décembre 2013.

Demande de graphène dans les industries à base de silicium

Le graphène a attiré beaucoup d'attention ces dernières années en raison de son électronique exceptionnelle, propriétés optiques et mécaniques, ainsi que son utilisation en tant que films conducteurs transparents pour les panneaux d'électrodes à écran tactile. Cependant, la production de films de graphène à l'échelle d'une plaquette de haute qualité est confrontée à de nombreux défis, parmi lesquels l'absence d'une technique pour faire croître et transférer le graphène avec un minimum de défauts pour une utilisation dans les industries des semi-conducteurs.

a dit le professeur Loh, qui est également chercheur principal au Centre de recherche sur le graphène de la Faculté des sciences de la NUS, « Bien qu'il existe de nombreuses applications potentielles pour le graphène flexible, il faut se rappeler qu'à ce jour, la plupart des semi-conducteurs fonctionnent sur des substrats « rigides » tels que le silicium et le quartz. »

"La croissance directe du film de graphène sur une plaquette de silicium est utile pour permettre de multiples applications optoélectroniques, mais les efforts de recherche actuels restent ancrés au stade de la preuve de concept. Une méthode de transfert desservant ce segment de marché est absolument nécessaire, et a été négligé dans le battage médiatique pour les appareils flexibles, " a ajouté le professeur Loh.

S'inspirer des scarabées et des rainettes

Pour combler le fossé technologique actuel, l'équipe NUS dirigée par le professeur Loh s'est inspirée de la façon dont les coléoptères et les rainettes gardent leurs pieds attachés à des feuilles complètement immergées, et développé un nouveau processus appelé « transfert en face à face ».

Docteur Gao Libo, le premier auteur de l'article et chercheur au Centre de recherche sur le graphène de la Faculté des sciences de la NUS, fait croître du graphène sur une couche de catalyseur de cuivre recouvrant un substrat de silicium. Après la croissance, le cuivre est gravé tandis que le graphène est maintenu par des bulles qui forment des ponts capillaires, semblables à celles observées autour des pieds des coléoptères et des rainettes attachées à des feuilles submergées. Les ponts capillaires permettent de maintenir le graphène à la surface du silicium et d'éviter son délaminage lors de la gravure du catalyseur en cuivre. Le graphène se fixe alors sur la couche de silicium.

Pour faciliter la formation de ponts capillaires, une étape de prétraitement impliquant l'injection de gaz dans la plaquette a été appliquée par le Dr Gao. Ceci contribue à modifier les propriétés de l'interface et facilite la formation de ponts capillaires lors de l'infiltration d'un liquide de décatalyse. Le co-ajout de tensioactif aide à aplanir les plis et les plis qui peuvent être créés pendant le processus de transfert.

Applications industrielles et nouvelles perspectives

Cette nouvelle technique de croissance du graphène directement sur des plaquettes de silicium et d'autres substrats rigides sera très utile pour le développement de plates-formes de graphène sur silicium émergentes rapidement, qui ont montré une gamme prometteuse d'applications. La méthode de "transfert face à face" développée par l'équipe NUS s'adapte également aux lignes de production de semi-conducteurs traitées par lots, comme la fabrication de circuits intégrés à grande échelle sur des plaquettes de silicium.

Pour approfondir leurs recherches, Le professeur Loh et son équipe optimiseront le processus afin d'atteindre une production à haut débit de graphène de grand diamètre sur silicium, ainsi que cibler des applications spécifiques au graphène sur silicium. L'équipe applique également les techniques à d'autres films en deux dimensions. Des pourparlers sont en cours avec des partenaires potentiels de l'industrie.