Graphène, un matériau d'épaisseur atomique aux propriétés extraordinaires, est un candidat prometteur pour la prochaine génération de considérablement plus rapide, électronique plus économe en énergie. Cependant, les scientifiques ont eu du mal à fabriquer le matériau en bandes ultra-étroites, appelés nanorubans, qui pourraient permettre l'utilisation du graphène dans l'électronique à semi-conducteurs haute performance.

Maintenant, Les ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont découvert un moyen de faire croître des nanorubans de graphène avec des propriétés semi-conductrices souhaitables directement sur une plaquette semi-conductrice conventionnelle en germanium. Cette percée pourrait permettre aux fabricants d'utiliser facilement des nanorubans de graphène dans des circuits intégrés hybrides, qui promettent d'augmenter considérablement les performances des appareils électroniques de nouvelle génération. Cette technologie pourrait également avoir des utilisations spécifiques dans des applications industrielles et militaires, tels que des capteurs qui détectent des espèces chimiques et biologiques spécifiques et des dispositifs photoniques qui manipulent la lumière.

Dans un article publié le 10 août, 2015 dans la revue Communication Nature , Michel Arnold, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW-Madison, Doctorant Robert Jacobberger, et leurs collaborateurs décrivent leur nouvelle approche pour produire des nanorubans de graphène. Surtout, leur technique peut facilement être mise à l'échelle pour une production de masse et est compatible avec l'infrastructure dominante utilisée dans le traitement des semi-conducteurs.

"Les nanorubans de graphène qui peuvent être cultivés directement sur la surface d'un semi-conducteur comme le germanium sont plus compatibles avec le traitement planaire utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs, et donc il y aurait moins d'obstacles à l'intégration de ces matériaux vraiment excellents dans l'électronique à l'avenir, " dit Arnold.

Graphène, un feuillet d'atomes de carbone qui n'a qu'un atome d'épaisseur, conduit l'électricité et dissipe la chaleur beaucoup plus efficacement que le silicium, le matériau le plus couramment trouvé dans les puces informatiques d'aujourd'hui. Mais pour exploiter les propriétés électroniques remarquables du graphène dans les applications de semi-conducteurs où le courant doit être allumé et éteint, les nanorubans de graphène doivent avoir une largeur inférieure à 10 nanomètres, ce qui est phénoménalement étroit. En outre, les nanorubans doivent être lisses, bords "fauteuil" bien définis dans lesquels les liaisons carbone-carbone sont parallèles à la longueur du ruban.

Les chercheurs ont généralement fabriqué des nanorubans en utilisant des techniques lithographiques pour couper de plus grandes feuilles de graphène en rubans. Cependant, cette approche de fabrication « descendante » manque de précision et produit des nanorubans aux bords très rugueux.

Une autre stratégie pour fabriquer des nanorubans consiste à utiliser une approche « bottom-up » telle que la synthèse organique assistée par surface, où les précurseurs moléculaires réagissent sur une surface pour polymériser des nanorubans. Arnold dit que la synthèse assistée par surface peut produire de beaux nanorubans avec une précision, bords lisses, mais cette méthode ne fonctionne que sur des substrats métalliques et les nanorubans résultants sont donc bien trop courts pour une utilisation en électronique.

Pour surmonter ces obstacles, les chercheurs de l'UW-Madison ont mis au point une technique ascendante dans laquelle ils font pousser des nanorubans ultra-étroits avec des surfaces lisses, bords droits directement sur les plaquettes de germanium en utilisant un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur. Dans ce processus, les chercheurs commencent par le méthane, qui s'adsorbe à la surface du germanium et se décompose pour former divers hydrocarbures. Ces hydrocarbures réagissent entre eux en surface, où ils forment le graphène.

L'équipe d'Arnold a fait sa percée en explorant le ralentissement spectaculaire du taux de croissance des cristaux de graphène en diminuant la quantité de méthane dans la chambre de dépôt chimique en phase vapeur. Ils ont constaté qu'à un taux de croissance très lent, les cristaux de graphène se transforment naturellement en longs nanorubans sur une facette cristalline spécifique du germanium. En contrôlant simplement le taux de croissance et le temps de croissance, les chercheurs peuvent facilement régler la largeur du nanoruban à moins de 10 nanomètres.

"Ce que nous avons découvert, c'est que lorsque le graphène pousse sur du germanium, il forme naturellement des nanorubans avec ces très lisses, bords de fauteuil, " dit Arnold. " Les largeurs peuvent être très, très étroit et les longueurs des rubans peuvent être très longues, donc toutes les caractéristiques souhaitables que nous voulons dans les nanorubans de graphène se produisent automatiquement avec cette technique. »

Les nanorubans produits avec cette technique commencent à nucléer, ou en croissance, à des endroits apparemment aléatoires sur le germanium et sont orientés dans deux directions différentes sur la surface. Arnold dit que le travail futur de l'équipe consistera à contrôler où les rubans commencent à pousser et à les aligner tous dans la même direction.