Des bandes étroites de graphène appelées nanorubans présentent des propriétés extraordinaires qui en font des candidats importants pour les futures technologies nanoélectroniques. Un obstacle à leur exploitation, cependant, est la difficulté de contrôler leur forme à l'échelle atomique, une condition préalable à de nombreuses applications possibles.

Maintenant, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) et de l'Université de Californie, Berkeley, ont développé une nouvelle approche de précision pour synthétiser des nanorubans de graphène à partir de blocs de construction moléculaires préconçus. En utilisant ce processus, les chercheurs ont construit des nanorubans qui ont des propriétés améliorées, telles que dépendant de la position, des bandes interdites réglables, qui sont potentiellement très utiles pour les circuits électroniques de nouvelle génération.

Les résultats apparaissent dans un article intitulé "Molecular bandgap engineering of bottom-up synthétisé graphène nanoribbon heterojunctions, " Publié dans Nature Nanotechnologie .

"Ce travail représente un progrès vers l'objectif d'assembler de manière contrôlée des molécules dans toutes les formes que nous voulons, " dit Mike Crommie, scientifique senior au Berkeley Lab, professeur à l'UC Berkeley, et un chef de file de l'étude. "Pour la première fois, nous avons créé un nanoruban moléculaire dont la largeur change exactement comme nous l'avons conçu."

Nanorubans passé et présent

Précédemment, les scientifiques ont fabriqué des nanorubans qui ont une largeur constante partout. "Cela fait un beau fil ou un simple élément de commutation, " dit Crommie, "mais il ne fournit pas beaucoup de fonctionnalités. Nous voulions voir si nous pouvions changer la largeur au sein d'un seul nanoruban, contrôler la structure à l'intérieur du nanoruban à l'échelle atomique pour lui donner un nouveau comportement potentiellement utile."

Félix Fischer, professeur de chimie à l'UC Berkeley qui a conjointement dirigé l'étude, conçu les composants moléculaires pour savoir si cela serait possible. Ensemble, Fischer et Crommie ont découvert que des molécules de différentes largeurs peuvent en effet être amenées à se lier chimiquement de telle sorte que la largeur soit modulée sur la longueur d'un seul nanoruban résultant.

"Pensez aux molécules comme à des blocs Lego de différentes tailles, " explique Fischer. Chaque bloc a une certaine structure définie et une fois assemblés, ils donnent une forme particulière à l'ensemble du nanoruban. "Nous voulons voir si nous pouvons comprendre les propriétés exotiques qui émergent lorsque nous assemblons ces structures moléculaires, et de voir si nous pouvons les exploiter pour construire de nouveaux appareils fonctionnels."

Jusqu'à maintenant, la synthèse de nanorubans a principalement impliqué la gravure de rubans à partir de feuilles de graphène 2D plus grandes. Le problème, selon Fischer, est que cela manque de précision et que chaque nanoruban résultant a un unique, structure légèrement aléatoire. Une autre méthode a consisté à décompresser des nanotubes pour produire des nanorubans. Cela produit des bords plus lisses que la technique de gravure "top-down", mais il est difficile à contrôler car les nanotubes ont des largeurs et des chiralités différentes.

Une troisième voie, découvert par Roman Fasel des Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux avec ses collègues, consiste à placer des molécules sur une surface métallique et à les fusionner chimiquement pour former des nanorubans parfaitement uniformes. Crommie et Fischer ont modifié cette dernière approche et ont montré que si les formes des molécules constitutives varient, la forme du nanoruban résultant l'est également.

"Ce que nous avons fait de nouveau, c'est de montrer qu'il est possible de créer des nanorubans atomiquement précis avec une forme non uniforme en changeant les formes des blocs de construction moléculaires, " dit Crommie.

Contrôler les propriétés quantiques

Les électrons à l'intérieur des nanorubans établissent des modèles d'ondes stationnaires de mécanique quantique qui déterminent les propriétés électroniques du nanoruban, comme sa "bande interdite". Cela détermine l'énergétique de la façon dont les électrons se déplacent à travers un nanoruban, y compris les régions dans lesquelles ils s'accumulent et les régions qu'ils évitent.

Autrefois, les scientifiques ont conçu spatialement la bande interdite des dispositifs à l'échelle du micron par dopage, l'ajout d'impuretés à un matériau. Pour les nanorubans plus petits, cependant, il est possible de changer la bande interdite en modifiant leur largeur par incréments sub-nanométriques, un processus que Crommie et Fischer ont surnommé "l'ingénierie moléculaire de la bande interdite". Ce type d'ingénierie permet aux chercheurs d'adapter les propriétés mécaniques quantiques des nanorubans afin qu'ils puissent être utilisés de manière flexible pour les futurs dispositifs nanoélectroniques.

Pour tester leur ingénierie moléculaire de la bande interdite, Le groupe de Crommie a utilisé la microscopie à effet tunnel (STM), une technique qui peut cartographier spatialement le comportement des électrons à l'intérieur d'un seul nanoruban. "Nous avions besoin de connaître la forme à l'échelle atomique des nanorubans, et nous avions aussi besoin de savoir comment les électrons à l'intérieur s'adaptent à cette forme, " dit Crommie. Steven Louie, professeur de physique à l'UC Berkeley et son étudiant Ting Cao ont calculé la structure électronique des nanorubans afin d'interpréter correctement les images STM. Cela a "fermé la boucle" entre la conception des nanorubans, fabrication, et caractérisation.

De nouvelles orientations vers de nouveaux appareils

Une question majeure dans ce travail est de savoir comment construire au mieux des dispositifs utiles à partir de ces minuscules structures moléculaires. Alors que l'équipe a montré comment fabriquer des nanorubans à largeur variable, il ne les a pas encore incorporés dans de véritables circuits électroniques. Crommie et Fischer espèrent utiliser ce nouveau type de nanoruban pour éventuellement créer de nouveaux éléments de dispositif - tels que des diodes, transistor, et des LED - qui sont plus petites et plus puissantes que celles actuellement utilisées. À terme, ils espèrent incorporer des nanorubans dans des circuits complexes offrant de meilleures performances que les puces informatiques actuelles. À cette fin, ils collaborent avec des ingénieurs électriciens de l'UC Berkeley tels que Jeffrey Bokor et Sayeef Salahuddin.

La précision spatiale requise existe déjà :l'équipe peut moduler la largeur du nanoruban de 0,7 nm à 1,4 nm, créant des jonctions où des nanorubans étroits fusionnent de manière transparente avec des nanorubans plus larges. « Faire varier la largeur d'un facteur deux permet de moduler la bande interdite de plus de 1eV, " dit Fischer. Pour de nombreuses applications, cela suffit pour construire des appareils utiles.

Bien que les applications potentielles soient passionnantes, Crommie souligne qu'une motivation centrale pour la recherche est le désir de répondre à des questions scientifiques fondamentales telles que le comportement réel des nanorubans de largeur non uniforme. "Nous avons décidé de répondre à une question intéressante, et nous y avons répondu, " conclut-il.