Le graphène a été appelé un matériau merveilleux, capable d'effectuer de grandes et inhabituelles acrobaties matérielles. Les nanotubes de nitrure de bore ne sont pas non plus des fainéants dans le domaine des matériaux, et peut être conçu pour des applications physiques et biologiques. Cependant, par eux-même, ces matériaux sont terribles pour une utilisation dans le monde de l'électronique. En tant que chef d'orchestre, le graphène laisse les électrons filer trop vite - il n'y a aucun contrôle ou arrêt - tandis que les nanotubes de nitrure de bore sont si isolants que les électrons sont repoussés comme un chien trop impatient frappant la porte du patio.

Mais ensemble, ces deux matériaux font un interrupteur numérique fonctionnel, qui est la base du contrôle des électrons dans les ordinateurs, Téléphone (s, équipements médicaux et autres appareils électroniques.

Yoke Khin Yap, professeur de physique à la Michigan Technological University, a travaillé avec une équipe de recherche qui a créé ces commutateurs numériques en combinant des nanotubes de graphène et de nitrure de bore. Le journal Rapports scientifiques ont récemment publié leurs travaux.

« La question est :comment fusionnez-vous ces deux matériaux ? dit Yap. La clé est de maximiser leurs structures chimiques existantes et d'exploiter leurs caractéristiques incompatibles.

Ajustements à l'échelle nanométrique

Le graphène est une feuille d'atomes de carbone de l'épaisseur d'une molécule; les nanotubes sont comme des pailles faites de bore et d'azote. Yap et son équipe exfolient le graphène et modifient la surface du matériau avec de minuscules trous d'épingle. Ensuite, ils peuvent faire croître les nanotubes vers le haut et à travers les trous d'épingle. Engrenés comme ça, le matériau ressemble à un flocon d'écorce poussant de manière erratique, cheveux fins.

"Quand nous mettons ces deux extraterrestres ensemble, nous créons quelque chose de mieux, " Yap dit, expliquant qu'il est important que les matériaux aient des bandes interdites déséquilibrées, ou des différences dans la quantité d'énergie nécessaire pour exciter un électron dans le matériau. "Quand nous les assemblons, vous formez un décalage de bande interdite, ce qui crée une soi-disant "barrière de potentiel" qui arrête les électrons."

L'inadéquation de la bande interdite résulte de la structure des matériaux :la feuille plate du graphène conduit l'électricité rapidement, et la structure atomique dans les nanotubes arrête les courants électriques. Cette disparité crée une barrière, causée par la différence de mouvement des électrons lorsque les courants se déplacent à côté et au-delà des nanotubes de nitrure de bore en forme de cheveux. Ces points de contact entre les matériaux, appelés hétérojonctions, sont ce qui rend possible l'interrupteur marche/arrêt numérique.

"Imaginez que les électrons sont comme des voitures roulant sur une piste lisse, " Yap dit. " Ils tournent autour et autour, mais ensuite ils arrivent à un escalier et sont obligés de s'arrêter."

Yap et son équipe de recherche ont également montré que parce que les matériaux sont respectivement si efficaces pour conduire ou arrêter l'électricité, le rapport de commutation résultant est élevé. En d'autres termes, la vitesse à laquelle les matériaux peuvent s'allumer et s'éteindre est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des commutateurs en graphène actuels. À son tour, cette vitesse pourrait éventuellement accélérer le rythme de l'électronique et de l'informatique.

Résoudre le dilemme des semi-conducteurs

Pour accéder un jour à des ordinateurs plus rapides et plus petits, Yap dit que cette étude est une continuation de recherches antérieures sur la fabrication de transistors sans semi-conducteurs. Le problème avec les semi-conducteurs comme le silicium est qu'ils ne peuvent devenir que si petits, et ils dégagent beaucoup de chaleur; l'utilisation de graphène et de nanotubes contourne ces problèmes. En outre, les nanotubes de graphène et de nitrure de bore ont le même schéma d'arrangement atomique, ou appariement de treillis. Avec leurs atomes alignés, les commutateurs numériques graphène-nanotube pourraient éviter les problèmes de diffusion des électrons.

"Vous voulez contrôler la direction des électrons, " Yap explique, comparer le défi à un flipper qui piège, ralentit et redirige les électrons. "C'est difficile dans les environnements à haute vitesse, et la diffusion des électrons réduit le nombre et la vitesse des électrons."

Tout comme un passionné d'arcade, Yap dit que lui et son équipe continueront d'essayer de trouver des moyens de déjouer ou de modifier la configuration du flipper du graphène pour minimiser la diffusion des électrons. Et un jour, tous leurs ajustements pourraient rendre les ordinateurs plus rapides et les jeux de flipper numériques pour le reste d'entre nous.