Illustration d'une jonction p-n dans une hétérostructure constituée de segments de nanoruban de graphène vierges et dopés à l'azote ("bleu brillant"). Le changement abrupt du potentiel électrostatique à travers la région d'interface devrait conduire à une efficacité élevée de séparation des porteurs de charge, comme illustré schématiquement par des électrons se déplaçant de manière opposée (rouge) et des trous (bleu).
Le graphène est un semi-conducteur lorsqu'il est préparé sous forme de ruban ultra-étroit - bien que le matériau soit en fait un matériau conducteur. Des chercheurs de l'Empa et de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères ont maintenant développé une nouvelle méthode pour doper sélectivement des molécules de graphène avec des atomes d'azote. En enchaînant de manière transparente des pièces de graphène dopées et non dopées, ils ont pu former des "hétérojonctions" dans les nanorubans, répondant ainsi à une exigence de base pour que le courant électronique ne circule que dans une seule direction lorsque la tension est appliquée - la première étape vers un transistor au graphène. Par ailleurs, l'équipe a réussi à retirer les nanorubans de graphène du substrat d'or sur lequel ils ont été cultivés et à les transférer sur un matériau non conducteur.
Le graphène possède de nombreuses propriétés remarquables :il est conducteur de chaleur et d'électricité, c'est transparent, plus dur que le diamant et extrêmement solide. Mais pour l'utiliser pour construire des interrupteurs électroniques, un matériau ne doit pas seulement être un conducteur hors pair, il devrait également être commutable entre les états "on" et "off". Cela nécessite la présence d'une bande interdite, ce qui permet aux semi-conducteurs d'être dans un état isolant. Le problème, cependant, est que la bande interdite dans le graphène est extrêmement faible. Les chercheurs de l'Empa du laboratoire « nanotech@surfaces » ont ainsi développé il y a quelque temps une méthode pour synthétiser une forme de graphène avec des bandes interdites plus importantes en permettant à des nanorubans de graphène ultra-étroits de « croître » via un auto-assemblage moléculaire.
Nanorubans de graphène constitués de segments différemment dopés
Les chercheurs, dirigé par Roman Fasel, ont maintenant franchi une nouvelle étape en permettant à des nanorubans de graphène constitués de sous-segments différemment dopés de croître. Au lieu d'utiliser toujours les mêmes molécules de carbone "pur", ils ont utilisé en plus des molécules dopées - des molécules munies d'"atomes étrangers" dans des positions définies avec précision, dans ce cas l'azote. En enchaînant des segments "normaux" avec des segments dopés à l'azote sur une surface d'or (Au (111)), des hétérojonctions sont créées entre les segments individuels. Les chercheurs ont montré que ceux-ci présentent des propriétés similaires à celles d'une jonction p-n classique, c'est-à-dire une jonction comportant à la fois des charges positives et négatives à travers différentes régions du cristal semi-conducteur, créant ainsi la structure de base permettant le développement de nombreux composants utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs. Une jonction p-n fait circuler le courant dans une seule direction. En raison de la transition nette à l'interface d'hétérojonction, la nouvelle structure permet également de séparer efficacement les paires électron/trou lorsqu'une tension externe est appliquée, comme l'ont démontré théoriquement des théoriciens de l'Empa et des collaborateurs de l'Institut polytechnique Rensselaer. Ce dernier a un impact direct sur le rendement énergétique des cellules solaires. Les chercheurs décrivent les hétérojonctions correspondantes dans les nanorubans de graphène segmentés dans le numéro récemment publié de Nature Nanotechnologie .
Transfert de nanorubans de graphène sur d'autres substrats
Hétérostructure d'un ruban de graphène constitué d'un segment pur et d'un segment dopé à l'azote (bleu lumineux)
En outre, les scientifiques ont résolu un autre problème clé pour l'intégration de la nanotechnologie du graphène dans l'industrie des semi-conducteurs conventionnels :comment transférer les rubans de graphène ultra-étroits sur une autre surface ? Tant que les nanorubans de graphène restent sur un substrat métallique (comme l'or utilisé ici), ils ne peuvent pas être utilisés comme commutateurs électroniques. L'or conduit et crée ainsi un court-circuit qui "sabote" les propriétés semi-conductrices attrayantes du ruban de graphène. L'équipe de Fasel et ses collègues du Max-Planck-Institute for Polymer Research à Mayence ont réussi à montrer que les nanorubans de graphène peuvent être transférés efficacement et intacts en utilisant un processus de gravure et de nettoyage relativement simple sur (virtuellement) n'importe quel substrat, par exemple sur saphir, fluorure de calcium ou oxyde de silicium.
Le graphène apparaît ainsi de plus en plus comme un matériau semi-conducteur intéressant et un ajout bienvenu au silicium omniprésent. Les nanorubans semi-conducteurs de graphène sont particulièrement intéressants car ils permettent des composants électroniques plus petits et donc plus économes en énergie et plus rapides que le silicium. Cependant, l'utilisation généralisée des nanorubans de graphène dans le secteur de l'électronique n'est pas anticipée dans un avenir proche, dû en partie à des problèmes d'échelle et en partie à la difficulté de remplacer l'électronique conventionnelle à base de silicium bien établie. Fasel estime qu'il faudra encore environ 10 à 15 ans avant que le premier commutateur électronique composé de nanorubans de graphène puisse être utilisé dans un produit.
Nanorubans de graphène pour composants photovoltaïques
Contrairement au graphène, qui montre une absorbance indépendante de la longueur d'onde pour la lumière visible, l'absorption de la lumière peut être augmentée énormément de manière contrôlée avec des nanorubans de graphène. Ceci est réalisé en définissant la largeur des nanorubans de graphène avec une précision atomique.
Les composants photovoltaïques pourraient aussi un jour être à base de graphène. Dans un deuxième article publié dans Communication Nature , Pascal Ruffieux - également du laboratoire "nanotech@surfaces" de l'Empa - et ses collègues décrivent une utilisation possible des bandes de graphène, par exemple dans les cellules solaires. Ruffieux et son équipe ont remarqué que les nanorubans de graphène particulièrement étroits absorbent exceptionnellement bien la lumière visible et sont donc parfaitement adaptés à une utilisation comme couche absorbante dans les cellules solaires organiques. Par rapport au graphène "normal", qui absorbe la lumière de manière égale à toutes les longueurs d'onde, l'absorption lumineuse dans les nanorubans de graphène peut être augmentée énormément de manière contrôlée, où les chercheurs "définissent" la largeur des nanorubans de graphène avec une précision atomique.
