Une nouvelle procédure permettra aux chercheurs de fabriquer de plus petits, plus rapide, et des dispositifs nanométriques plus puissants et le faire avec un contrôle et une précision moléculaires. En utilisant une seule couche d'atomes de carbone, ou graphène, nanoingénieurs à l'Université de Californie, San Diego a inventé une nouvelle façon de fabriquer des nanostructures qui contiennent des lacunes de taille atomique. Les résultats de la UC San Diego Jacobs School of Engineering ont été publiés dans le numéro de janvier de la revue Lettres nano .

Des structures avec ces bien définis, des lacunes de taille atomique pourraient être utilisées pour détecter des molécules uniques associées à certaines maladies et pourraient un jour conduire à des microprocesseurs 100 fois plus petits que ceux des ordinateurs d'aujourd'hui.

La capacité de générer des espaces extrêmement petits ─ appelés nanogaps ─ est hautement souhaitable dans la fabrication de structures à l'échelle nanométrique, qui sont généralement utilisés comme composants dans les appareils optiques et électroniques. En diminuant l'espacement entre les circuits électroniques sur une puce électronique, par exemple, on peut installer plus de circuits sur la même puce pour produire un appareil avec une plus grande puissance de calcul.

Une équipe de Ph.D. des étudiants et des chercheurs de premier cycle dirigés par le professeur de nano-ingénierie de l'UC San Diego, Darren Lipomi, ont démontré que la clé pour générer un nanogap plus petit entre deux nanostructures consiste à utiliser un espaceur en graphène, qui peut être gravé pour créer l'espace.

Le graphène est le matériau le plus fin connu :il s'agit simplement d'une simple couche d'atomes de carbone et mesure environ 0,3 nanomètre (nm), qui est d'environ 100, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain. La technique développée par l'équipe de Lipomi surmonte certaines des limitations des méthodes de fabrication standard, comme la photolithographie et la lithographie par faisceau d'électrons. Par comparaison, les plus petits nanogaps pouvant être générés à l'aide des méthodes standard ont une largeur de 10 à 20 nm.

"Faire un nanogap est intéressant d'un point de vue philosophique, " a déclaré Lipomi. " Alors que la plupart des efforts en nanotechnologie se concentrent sur la fabrication de matériaux, nous n'avons essentiellement rien fait ─ mais avec des dimensions contrôlées."

Faire "rien"

Le procédé de fabrication des nanogaps commence par la production de films minces dans lesquels une seule couche de graphène est prise en sandwich entre deux feuilles de métal d'or. D'abord, le graphène est cultivé sur un substrat de cuivre, puis superposé sur une feuille de métal doré. Parce que le graphène colle mieux à l'or qu'au cuivre, toute la monocouche de graphène peut être facilement retirée et reste intacte sur de grandes surfaces. Par rapport à d'autres techniques utilisées pour produire des structures en couches similaires, cette méthode permet au graphène d'être transféré sur un film d'or avec un minimum de défauts ou de contamination.

« Cette nouvelle méthode, que nous avons développé dans notre laboratoire, est appelée exfoliation assistée par des métaux. C'est le seul moyen jusqu'à présent de placer du graphène monocouche entre deux métaux et de s'assurer qu'il ne contient pas de déchirures, fissures, plis, ou des espèces chimiques indésirables, " a déclaré Alex Zaretski, un étudiant diplômé du groupe de recherche de Lipomi qui a été le pionnier de la technique et est le premier auteur de l'étude. "L'exfoliation assistée par métal peut potentiellement être utile pour les industries qui utilisent de grandes surfaces de graphène."

Une fois le composite or/graphène séparé du substrat de cuivre, le côté nouvellement exposé de la couche de graphène est pris en sandwich avec une autre feuille d'or pour produire le film mince or:graphène monocouche:or.

Les films sont ensuite découpés en nanostructures de 150 nm de large. Finalement, les structures sont traitées avec un plasma d'oxygène pour éliminer le graphène. Les micrographies électroniques à balayage des structures révèlent des nanogaps extrêmement petits entre les couches d'or.

Applications Nanogap

Une application potentielle de cette technologie est la détection ultra-sensible de molécules uniques, en particulier ceux qui sont caractéristiques de certaines maladies. Lorsque la lumière est braquée sur des structures avec des espaces extrêmement petits, le champ électromagnétique qui est confiné dans l'espace devient énormément amélioré. Ce champ électromagnétique amélioré, à son tour, augmente le signal produit par toute molécule dans l'espace.

« Si un marqueur de maladie entre en jeu et comble le fossé entre les nanostructures, vous observeriez une modification de la diffusion de la lumière du nanogap qui correspondrait à la présence ou non de la maladie, " dit Lipomi.

Alors que la technique décrite dans cette étude peut produire des nanostructures adaptées aux applications optiques, il présente un inconvénient majeur pour les applications électroniques. Les mesures spectroscopiques Raman des nanostructures d'or révèlent que de petites quantités de graphène restent encore entre les couches d'or après avoir été traitées avec un plasma d'oxygène. Cela signifie que seul le graphène exposé près des surfaces des nanostructures d'or peut être éliminé jusqu'à présent. Avoir du graphène encore dans les structures n'est pas souhaitable pour les appareils électroniques, qui nécessitent un écart entier entre les structures. L'équipe travaille pour trouver comment résoudre ce problème.

À l'avenir, l'équipe aimerait également explorer des moyens de faire varier l'épaisseur de l'écart bien défini entre les structures en augmentant le nombre de couches de graphène.

"Pour les applications optiques, il serait souhaitable d'avoir des écarts un peu plus grands que ce que nous avons généré. Nous voulions juste montrer, en principe, la plus petite taille d'écart qu'il est possible d'atteindre, " dit Lipomi.