Une équipe de physiciens dirigée par l'Université de l'Arizona a découvert comment modifier la structure cristalline du graphène, plus communément appelée mine de crayon, avec un champ électrique, une étape importante vers l'utilisation possible du graphène dans des microprocesseurs qui seraient plus petits et plus rapides que l'actuel, technologie à base de silicium.

Le graphène est constitué de feuilles de graphite extrêmement fines :en écrivant au crayon, Les feuilles de graphène se détachent du noyau de graphite du crayon et collent à la page. S'il est placé sous un microscope électronique à haute puissance, le graphène révèle sa structure en feuille d'atomes de carbone réticulés, ressemblant à du grillage.

Lorsqu'il est manipulé par un champ électrique, des parties du matériau sont transformées d'un comportement de métal à un comportement de semi-conducteur, les physiciens de l'UA ont trouvé.

Le graphène est le matériau le plus fin au monde, avec 300, 000 feuilles nécessaires pour équivaloir à l'épaisseur d'un cheveu humain ou d'une feuille de papier. Les scientifiques et les ingénieurs s'y intéressent en raison de ses applications possibles dans les dispositifs microélectroniques, dans l'espoir de nous propulser de l'âge du silicium à l'âge du graphène. La partie délicate est de contrôler le flux d'électrons à travers le matériau, un préalable nécessaire à sa mise en œuvre dans tout type de circuit électronique.

Brian LeRoy, UA professeur agrégé de physique, et ses collaborateurs ont franchi un obstacle vers cet objectif en montrant qu'un champ électrique est capable de contrôler la structure cristalline du graphène tricouche - qui est composé de trois couches de graphène.

La plupart des matériaux nécessitent des températures élevées, pression ou les deux pour changer leur structure cristalline, c'est la raison pour laquelle le graphite ne se transforme pas spontanément en diamant ou vice versa.

"Il est extrêmement rare qu'un matériau change de structure cristalline simplement en appliquant un champ électrique, " LeRoy a déclaré. " La fabrication de graphène tricouche est un système exceptionnellement unique qui pourrait être utilisé pour créer de nouveaux dispositifs. "

Le graphène tricouche peut être empilé de deux manières uniques. Ceci est analogue à l'empilement de couches de boules de billard dans un réseau triangulaire, avec les boules représentant les atomes de carbone.

"Quand vous empilez deux couches de boules de billard, leur "structure cristalline" est fixe car la couche supérieure de billes doit reposer dans des trous formés par les triangles de la couche inférieure, " a expliqué Matthew Yankowitz, un doctorant de troisième année dans le laboratoire de LeRoy. Il est le premier auteur de la recherche publiée, qui paraît dans le journal Matériaux naturels . « La troisième couche de balles peut être empilée de manière à ce que ses balles affleurent au-dessus des balles de la couche inférieure, ou il peut être légèrement décalé pour que ses boules viennent se situer au-dessus des trous formés par des triangles dans la couche inférieure."

Ces deux configurations d'empilement peuvent naturellement exister dans le même flocon de graphène. Les deux domaines sont séparés par une limite nette où les hexagones de carbone sont tendus pour s'adapter à la transition d'un modèle d'empilement à l'autre.

"En raison des différentes configurations d'empilement de chaque côté du mur du domaine, une face du matériau se comporte comme un métal, tandis que l'autre côté se comporte comme un semi-conducteur, " expliqua LeRoy.

En sondant la paroi du domaine avec un champ électrique, appliqué par une pointe de microscopie à effet tunnel à balayage métallique extrêmement pointue, les chercheurs du groupe de LeRoy ont découvert qu'ils pouvaient déplacer la position de la paroi du domaine dans le flocon de graphène. Et tandis qu'ils déplaçaient le mur du domaine, la structure cristalline du graphène tricouche a changé dans son sillage.

"Nous avions l'idée qu'il y aurait des effets électroniques intéressants à la frontière, et la frontière a continué à bouger autour de nous, " a déclaré LeRoy. " Au début, c'était frustrant, mais une fois que nous avons réalisé ce qui se passait, cela s'est avéré être l'effet le plus intéressant."

En appliquant un champ électrique pour déplacer la frontière, il est désormais possible pour la première fois de modifier la structure cristalline du graphène de manière contrôlée.

"Maintenant, nous avons un bouton que nous pouvons tourner pour changer le matériau du métal en semi-conducteur et vice versa pour contrôler le flux d'électrons, " a déclaré LeRoy. " Cela nous donne essentiellement un interrupteur marche-arrêt, qui n'avait pas encore été réalisé dans le graphène."

Bien que davantage de recherches soient nécessaires avant que le graphène puisse être appliqué dans des applications technologiques à l'échelle industrielle, les chercheurs voient comment il peut être utilisé.

"Si vous avez utilisé une électrode large au lieu d'une pointe pointue, vous pourriez déplacer la frontière entre les deux configurations plus loin, qui pourrait permettre de créer des transistors à partir de graphène, " a déclaré Yankowitz.

Les transistors sont un élément essentiel des circuits électroniques car ils contrôlent le flux d'électrons.

Contrairement aux transistors au silicium utilisés actuellement, les transistors à base de graphène pourraient être extrêmement minces, rendre l'appareil beaucoup plus petit, et puisque les électrons se déplacent à travers le graphène beaucoup plus rapidement qu'à travers le silicium, les appareils permettraient un calcul plus rapide.

En outre, les transistors à base de silicium sont fabriqués pour fonctionner comme l'un des deux types - type p ou type n - tandis que le graphène pourrait fonctionner comme les deux. Cela les rendrait moins chers à produire et plus polyvalents dans leurs applications.