En utilisant des rubans de graphène d'une largeur inimaginable - seulement quelques atomes de diamètre - un groupe de chercheurs de l'Université du Wisconsin-Milwaukee (UWM) a trouvé une nouvelle façon de "régler" le matériau merveilleux, ce qui fait que le conducteur électrique extrêmement efficace agit comme un semi-conducteur.

En principe, leur méthode de production de ces rubans étroits – d'une largeur à peu près égale au diamètre d'un brin d'ADN humain – et de manipulation de la conductivité électrique des rubans pourrait être utilisée pour produire des nano-dispositifs.

Graphène, une feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome, est vanté pour son potentiel élevé de production de dispositifs à l'échelle nanométrique et de calcul à vitesse quantique. Mais avant de pouvoir l'appliquer à la nanotechnologie, les chercheurs doivent d'abord trouver une méthode simple pour contrôler le flux d'électrons afin de concevoir même un simple interrupteur marche-arrêt.

"Les nano-rubans sont des systèmes modèles pour étudier les effets à l'échelle nanométrique dans le graphène, mais obtenir une largeur de ruban inférieure à 10 nanomètres et caractériser son état électronique est assez difficile, " dit Yaoyi Li, chercheur postdoctoral en physique à l'UWM et premier auteur d'un article publié le 2 juillet dans la revue Communication Nature .

En imageant les rubans au microscope à balayage, les chercheurs ont confirmé à quel point la largeur du ruban doit être étroite pour modifier les propriétés électriques du graphène, le rendant plus ajustable.

"Nous avons découvert que la transition se produit à trois nanomètres et que les changements sont brusques, " dit Michael Weinert, un physicien théoricien de l'UWM qui a travaillé sur le projet financé par le Département de l'énergie avec le physicien expérimental Lian Li. « Avant cette étude, il n'y avait aucune preuve expérimentale de l'ampleur de l'apparition de ces comportements."

L'équipe a également constaté que plus le ruban devient étroit, plus les comportements du matériau sont « ajustables ». Les deux bords d'un ruban aussi étroit sont capables d'interagir fortement, essentiellement transformer le ruban en un semi-conducteur avec des qualités accordables similaires à celles du silicium.

Le premier obstacle

Les méthodes actuelles de coupe peuvent produire des largeurs de ruban de cinq nanomètres de diamètre, encore trop large pour atteindre l'état accordable, dit Yaoyi Li. En plus de produire des rubans plus étroits, toute nouvelle stratégie de coupe qu'ils conçoivent devrait également se traduire par un alignement rectiligne des atomes sur les bords du ruban afin de maintenir les propriétés électriques, il ajoute.

L'équipe de l'UWM a donc utilisé des nanoparticules de fer au-dessus du graphène dans un environnement d'hydrogène. Le fer est un catalyseur qui fait réagir les atomes d'hydrogène et de carbone, créant un gaz qui grave une tranchée dans le graphène. La découpe est réalisée en contrôlant précisément la pression d'hydrogène, dit Lian Li.

La nanoparticule de fer se déplace de manière aléatoire à travers le graphène, produire des rubans de différentes largeurs – y compris certains aussi fins qu'un nanomètre, il dit. La méthode produit également des arêtes avec des atomes correctement alignés.

Une limitation existe pour la méthode de coupe de l'équipe, et cela a à voir avec l'endroit où les bords sont coupés. Les atomes du graphène sont disposés sur un réseau en nid d'abeilles qui, selon la direction de la coupe produit soit un bord "en forme de fauteuil" ou un "zigzag". Les comportements semi-conducteurs observés par les chercheurs avec leur méthode de gravure ne se produiront qu'avec une coupe dans la configuration en zigzag.

Manipuler pour la fonction

Une fois coupé, les atomes de carbone aux bords des rubans résultants n'ont que deux des trois voisins normaux, créant une sorte de liaison qui attire les atomes d'hydrogène et enferme les électrons sur les bords du ruban. Si le ruban est suffisamment étroit, les électrons des côtés opposés peuvent encore interagir, créer un comportement électrique semi-conducteur, dit Weinert.

Les chercheurs expérimentent maintenant la saturation des bords avec de l'oxygène, plutôt que de l'hydrogène, pour étudier si cela change le comportement électrique du graphène en celui d'un métal.

L'ajout de fonction aux nano-rubans de graphène par ce processus pourrait rendre possible l'objectif recherché de composants à l'échelle atomique constitués du même matériau, mais avec des comportements électriques différents, dit Weinert.