Il s'agit d'un dessin conceptuel d'un circuit électronique composé de nanorubans de graphène interconnectés (atomes noirs) qui sont épitaxiés sur des marches gravées dans du carbure de silicium (atomes jaunes). Les électrons (bleus) voyagent de manière balistique le long du ruban puis d'un ruban à l'autre via les contacts métalliques. Le flux d'électrons est modulé par des portes électrostatiques. Crédit :John Hankinson
L'utilisation d'électrons davantage comme des photons pourrait jeter les bases d'un nouveau type de dispositif électronique qui capitaliserait sur la capacité du graphène à transporter des électrons avec presque aucune résistance, même à température ambiante – une propriété connue sous le nom de transport balistique.
Des recherches rapportées cette semaine montrent que la résistance électrique dans les nanorubans de graphène épitaxié change par étapes discrètes suivant les principes de la mécanique quantique. La recherche montre que les nanorubans de graphène agissent davantage comme des guides d'ondes optiques ou des points quantiques, permettant aux électrons de circuler en douceur le long des bords du matériau. Dans les conducteurs ordinaires tels que le cuivre, la résistance augmente proportionnellement à la longueur à mesure que les électrons rencontrent de plus en plus d'impuretés tout en se déplaçant à travers le conducteur.
Les propriétés de transport balistique, similaires à celles observées dans les nanotubes de carbone cylindriques, dépasser les prévisions de conductance théoriques pour le graphène d'un facteur 10. Les propriétés ont été mesurées dans des nanorubans de graphène d'environ 40 nanomètres de large qui avaient été développés sur les bords de structures tridimensionnelles gravées dans des plaquettes de carbure de silicium.
"Ce travail montre que l'on peut contrôler les électrons du graphène de manières très différentes car les propriétés sont vraiment exceptionnelles, " dit Walt de Heer, un professeur de Regent à l'École de physique du Georgia Institute of Technology. "Cela pourrait donner lieu à une nouvelle classe de dispositifs électroniques cohérents basés sur le transport balistique à température ambiante dans le graphène. De tels dispositifs seraient très différents de ce que nous fabriquons aujourd'hui en silicium."
La recherche, qui a été soutenu par la National Science Foundation, le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force et le W.M. Fondation Keck, a été rapporté le 5 février dans le journal La nature . La recherche a été réalisée grâce à une collaboration de scientifiques de Georgia Tech aux États-Unis, Leibniz Universität Hanovre en Allemagne, le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en France et Oak Ridge National Laboratory aux États-Unis.
Pendant près d'une décennie, les chercheurs ont essayé d'utiliser les propriétés uniques du graphène pour créer des dispositifs électroniques qui fonctionnent un peu comme les puces semi-conductrices en silicium existantes. Mais ces efforts ont rencontré un succès limité car le graphène - un réseau d'atomes de carbone qui peut être constitué d'une épaisseur d'une seule couche - ne peut pas être facilement compte tenu de la bande interdite électronique dont de tels dispositifs ont besoin pour fonctionner.
De Heer soutient que les chercheurs devraient cesser d'essayer d'utiliser le graphène comme le silicium, et utiliser à la place ses propriétés uniques de transport d'électrons pour concevoir de nouveaux types de dispositifs électroniques qui pourraient permettre un calcul ultra-rapide - basé sur une nouvelle approche de la commutation. Les électrons dans les nanorubans de graphène peuvent se déplacer sur des dizaines ou des centaines de microns sans se disperser.
Walt de Heer, professeur à la Regent's School of Physics du Georgia Institute of Technology, pose avec l'équipement utilisé pour mesurer les propriétés des nanorubans de graphène. De Heer et des collaborateurs de trois autres institutions ont signalé des propriétés de transport balistique dans des nanorubans de graphène d'une largeur d'environ 40 nanomètres. Crédit :Rob Felt
"Cette résistance constante est liée à l'une des constantes fondamentales de la physique, le quantum de conductance, " dit de Heer. " La résistance de ce canal ne dépend pas de la température, et cela ne dépend pas de la quantité de courant que vous y faites passer."
Qu'est-ce qui perturbe le flux d'électrons, cependant, mesure la résistance avec une sonde électrique. Les mesures ont montré que toucher les nanorubans avec une seule sonde double la résistance; le toucher avec deux sondes triple la résistance.
"Les électrons frappent la sonde et se dispersent, " a expliqué de Heer. " C'est un peu comme un ruisseau dans lequel l'eau s'écoule bien jusqu'à ce que vous mettiez des pierres sur le chemin. Nous avons fait des études systématiques pour montrer que lorsque vous touchez les nanorubans avec une sonde, vous introduisez une méthode de diffusion des électrons, et ça change la résistance."
Les nanorubans sont développés par épitaxie sur des plaquettes de silicium-carbone dans lesquelles des motifs ont été gravés à l'aide de techniques de fabrication microélectroniques standard. Lorsque les plaquettes sont chauffées à environ 1, 000 degrés Celsius, le silicium est préférentiellement chassé le long des bords, formant des nanorubans de graphène dont la structure est déterminée par le motif de la surface tridimensionnelle. Une fois grandi, les nanorubans ne nécessitent aucun traitement supplémentaire.
L'avantage de fabriquer des nanorubans de graphène de cette façon est que cela produit des bords parfaitement lisses, recuit par le processus de fabrication. Les bords lisses permettent aux électrons de circuler à travers les nanorubans sans interruption. Si des techniques de gravure traditionnelles sont utilisées pour découper des nanorubans à partir de feuilles de graphène, les bords résultants sont trop rugueux pour permettre le transport balistique.
« Il semble que le courant circule principalement sur les bords, " a déclaré de Heer. " Il y a d'autres électrons dans la majeure partie des nanorubans, mais ils n'interagissent pas avec les électrons circulant sur les bords."
Les électrons sur le bord circulent plutôt comme des photons dans la fibre optique, en les aidant à éviter la dispersion. "Ces électrons se comportent vraiment plus comme de la lumière, " dit-il. " C'est comme la lumière qui traverse une fibre optique. En raison de la façon dont la fibre est fabriquée, la lumière transmet sans diffusion."
Les mesures de mobilité électronique dépassant le million correspondent à une résistance de couche d'un ohm par carré qui est de deux ordres de grandeur inférieure à ce qui est observé dans le graphène bidimensionnel - et dix fois plus petite que les meilleures prédictions théoriques pour le graphène.
"Cela devrait permettre une nouvelle façon de faire de l'électronique, " a déclaré de Heer. "Nous sommes déjà capables de diriger ces électrons et nous pouvons les commuter en utilisant des moyens rudimentaires. Nous pouvons mettre un barrage routier, puis ouvrez-le à nouveau. De nouveaux types de commutateurs pour ce matériau sont maintenant à l'horizon."
Les explications théoriques de ce que les chercheurs ont mesuré sont incomplètes. De Heer spécule que les nanorubans de graphène peuvent produire un nouveau type de transport électronique similaire à ce qui est observé dans les supraconducteurs.
"Il y a beaucoup de physique fondamentale à faire pour comprendre ce que nous voyons, " a-t-il ajouté. " Nous pensons que cela montre qu'il existe une réelle possibilité pour un nouveau type d'électronique à base de graphène. "
Les chercheurs de Georgia Tech sont les pionniers de l'électronique à base de graphène depuis 2001, dont ils sont titulaires d'un brevet, déposée en 2003. La technique consiste à graver des motifs dans des plaquettes de carbure de silicium de qualité électronique, puis chauffer les plaquettes pour chasser le silicium, laissant des motifs de graphène.
