C'est l'art conceptuel de la structure cristalline (vue de dessus) du graphène bicouche empilé AB. Crédit :Peter Allen, UCSB
Chercheurs de l'Université de Californie, Santa Barbara, en collaboration avec l'Université Rice, ont récemment démontré une technique de synthèse rapide pour les films de graphène bicouche empilés de Bernal (ou AB) à grande surface qui peuvent ouvrir de nouvelles voies pour l'électronique numérique et les applications de conducteurs transparents.
L'invention comprend également la première démonstration d'un transistor à effet de champ (FET) à double grille en graphène bicouche, montrant un rapport de commutation de transistor ON/OFF record et une mobilité des porteurs qui pourraient conduire à de futurs appareils électroniques à très faible consommation et à faible coût.
Le graphène est le cristal atomique bidimensionnel le plus fin connu (environ 0,5 nanomètre par couche). Il a suscité un grand intérêt en raison de ses propriétés électriques et thermiques prometteuses et de ses applications potentielles en électronique et en photonique. Cependant, bon nombre de ces applications sont considérablement restreintes par la bande interdite nulle du graphène qui se traduit par des transistors à fuite non adaptés à l'électronique numérique.
"En plus de ses surfaces atomiquement lisses, une bande interdite considérable allant jusqu'à ~ 0,25 eV peut être ouverte dans le graphène bicouche en créant une différence de potentiel entre les deux couches, et rompant ainsi la symétrie inhérente, si les deux couches peuvent être alignées selon une certaine orientation (Bernal ou AB)" a expliqué Kaustav Banerjee, professeur de génie électrique et informatique et directeur du laboratoire de recherche en nanoélectronique à l'UCSB. "Les transistors à double grille ont été spécialement conçus pour permettre à une telle différence de potentiel d'être établie entre les couches à travers l'une des grilles, tandis que la deuxième porte modulait les porteuses dans le canal, " a-t-il ajouté. L'équipe de recherche de Banerjee comprend également les chercheurs de l'UCSB Wei Liu, Stéphane Kraemer, Deblina Sarkar, Hong Li et le professeur Pulickel Ajayan de l'Université Rice. Leur étude a récemment été publiée dans Chimie des Matériaux .
Il s'agit de l'art conceptuel d'une vue schématique d'un film de graphène empilé AB synthétisé par des chercheurs de l'UC Santa Barbara à l'aide d'un catalyseur en alliage bifonctionnel conçu par stœchiométrie. Crédit :Peter Allen, UCSB
Les films de graphène ont été cultivés de manière déterministe en utilisant une surface en alliage bifonctionnel (Cu:Ni) à une température relativement basse de 920°C. Grande surface (> 3 pouces x 3 pouces) La croissance du graphène bicouche empilé Bernal (ou AB) a été démontrée en quelques minutes et avec une couverture de près de 100 %. Les films bicouches de graphène présentaient une mobilité électronique aussi élevée que 3450 cm2/(V*s), qui est comparable à celui du graphène bicouche exfolié, confirmant ainsi une très haute qualité. La qualité du graphène cultivé a été corroborée par la démonstration de FET hautes performances avec un rapport ON/OFF record qui est une exigence clé dans l'électronique numérique à faible consommation.
« La réalisation du mode de croissance catalytique du graphène en surface et le contrôle précis de la concentration en carbone en surface ont été des facteurs clés pour la cinétique de croissance favorable du graphène bicouche empilé AB, " a expliqué Wei Liu, chercheur post-doctoral dans le groupe Banerjee et co-auteur de l'article. En 2011, Le groupe de Banerjee a démontré une méthode de synthèse de graphène monocouche à grande surface utilisant un substrat de cuivre comme catalyseur.
Le graphène bicouche est proche du graphène monocouche en termes d'épaisseur de film avec une structure atomique hexagonale et peut être dérivé de sa forme massive en couches (graphite) dans laquelle les couches adjacentes sont maintenues ensemble par des forces de van der Waals relativement faibles. "Toutefois, en plus de son accordabilité de bande interdite, le graphène bicouche présente des avantages clés par rapport au graphène monocouche. Il a une densité d'états plus élevée et souffre beaucoup moins des effets d'interface, qui sont bénéfiques pour améliorer la capacité de charge actuelle, " continua Liu.
"Cette démonstration est très impressionnante et devrait avoir des implications de grande envergure pour l'ensemble de la communauté des matériaux 2D, " a commenté le professeur Ali Javey, de l'Université de Californie, Berkeley et co-directeur du Bay Area Photovoltaic Consortium (BAPVC).
