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  • Les chercheurs produisent des nanorubans de graphène avec des bords en zigzag parfaits à partir de molécules

    Illustration d'un nanoruban de graphène avec des bords en zigzag et des molécules précurseurs utilisées dans sa fabrication. Les électrons sur les deux bords en zigzag affichent des sens de rotation opposés (spin) - "spin-up" sur le bord inférieur (rouge) ou "spin-down" sur le bord supérieur (bleu).

    Tel que rapporté par le journal La nature dans son dernier numéro, chercheurs de l'Empa, l'Institut Max Planck de Mayence et l'Université technique de Dresde ont pour la première fois réussi à produire des nanorubans de graphène avec des bords en zigzag parfaits à partir de molécules. Les électrons sur ces bords en zigzag présentent des directions de rotation différentes (et couplées) ("spin"). Cela pourrait faire des nanorubans de graphène le matériau de choix pour l'électronique du futur, ce qu'on appelle la spintronique.

    Les composants électroniques étant de plus en plus petits, l'industrie s'approche progressivement des limites de ce qui est réalisable en utilisant l'approche traditionnelle avec le silicium comme matériau semi-conducteur. Graphène, le matériau aux propriétés « miraculeuses », est considéré comme un remplacement possible. Le film de carbone mince à un atome est ultra-léger, extrêmement flexible et hautement conducteur. Cependant, afin de pouvoir utiliser le graphène pour des composants électroniques tels que des transistors à effet de champ, le matériau doit être "transformé" en un semi-conducteur. Cela a été réalisé par les scientifiques de l'Empa il y a quelque temps en utilisant une méthode nouvellement développée - en 2010, ils ont présenté, pour la première fois, nanorubans de graphène (GNR) de seulement quelques nanomètres de large avec des bords façonnés avec précision. Pour ça, les rubans ont été développés sur une surface métallique à partir de molécules précurseurs spécialement conçues. Plus les rubans sont étroits, plus leur bande interdite électronique est grande - c'est-à-dire la plage d'énergie dans laquelle aucun électron ne peut être localisé, qui est chargé de s'assurer qu'un interrupteur électronique (par exemple, un transistor) peut être activé et désactivé. Les chercheurs de l'Empa ont alors également pu « doper » les nanorubans, c'est-à-dire de fournir aux rubans des atomes d'impuretés tels que l'azote en certains points, afin d'influencer encore plus les propriétés électroniques des rubans de graphène.

    Le plan parfait

    Gabarit de motif pour les nanorubans de graphène :selon la direction de l'axe du ruban, les nanorubans de graphène ont un bord fauteuil (orange) ou un bord en zigzag (bleu).

    Dans l'article maintenant publié dans La nature , l'équipe Empa dirigée par Roman Fasel rapporte, avec des collègues de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Mayence, dirigé par Klaus Müllen, et de l'Université technique de Dresde dirigée par Xinliang Feng, comment il a réussi à synthétiser du GNR avec des bords parfaitement zigzagés en utilisant des molécules précurseurs de carbone adaptées et un processus de fabrication perfectionné. Les zigzags suivaient une géométrie très particulière le long de l'axe longitudinal des rubans. Ceci est une étape importante, car les chercheurs peuvent ainsi donner aux rubans de graphène des propriétés différentes via la géométrie des rubans et surtout via la structure de leurs bords.

    Comme pour le carrelage au sol, les bonnes tuiles - ou molécules précurseurs - pour la synthèse en surface devaient d'abord être trouvées pour le motif spécifique des rubans de graphène en zigzag. Contrairement à la chimie organique, qui prend en compte l'occurrence de sous-produits sur le chemin d'obtention d'une substance pure, tout devait être conçu pour la synthèse de surface des rubans de graphène afin de ne produire qu'un seul produit. Les scientifiques ont alterné à plusieurs reprises entre les simulations informatiques et les expériences, afin de concevoir la meilleure synthèse possible. Avec des molécules en forme de U, qu'ils ont laissé grandir ensemble pour former une forme de serpent, et des groupes méthyle supplémentaires, qui complétait les bords en zigzag, les chercheurs ont finalement pu créer un "plan" pour GNR avec des bords en zigzag parfaits. Pour vérifier que les bords en zigzag étaient exacts jusqu'à l'atome, les chercheurs ont étudié la structure atomique à l'aide d'un microscope à force atomique (AFM). En outre, ils ont pu caractériser les états électroniques des bords en zigzag en utilisant la spectroscopie à effet tunnel (STS).

    Utilisation du spin interne des électrons

    « Plan directeur » pour la fabrication de nanorubans de graphène en zigzag à l'aide d'une molécule précurseur spécifiquement synthétisée. Crédit :Empa

    Et ceux-ci affichent une caractéristique très prometteuse. Les électrons peuvent tourner à gauche ou à droite, que l'on appelle le spin interne des électrons. La particularité du GNR en zigzag est que, le long de chaque bord, les électrons tournent tous dans le même sens; un effet qui est appelé couplage ferromagnétique. À la fois, le couplage dit antiferromagnétique garantit que les électrons de l'autre bord tournent tous dans la direction opposée. Ainsi, les électrons d'un côté ont tous un état de "spin-up" et de l'autre côté ils ont tous un état de "spin-down".

    Ainsi, deux canaux de spin indépendants avec des "sens de déplacement" opposés apparaissent sur les bords de la bande, comme une route à voies séparées. Via des défauts de structure intentionnellement intégrés sur les bords ou - plus élégamment - via la fourniture d'un signal magnétique ou optique de l'extérieur, Des barrières de spin et des filtres de spin peuvent ainsi être conçus qui ne nécessitent que de l'énergie pour être allumés et éteints - le précurseur d'un transistor à l'échelle nanométrique et également extrêmement économe en énergie.

    De telles possibilités rendent la GNR extrêmement intéressante pour les dispositifs spintroniques; ceux-ci utilisent à la fois la charge et le spin des électrons. Cette combinaison incite les scientifiques à prévoir des composants complètement nouveaux, par exemple. dispositifs de stockage de données magnétiques adressables qui conservent les informations qui ont été introduites même après la mise hors tension.

    Image de microscopie à force atomique de la structure atomique d'un nanoruban de graphène en zigzag. Crédit :Empa




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