Lorsque le graphène est soutenu par un isolant électrique, les molécules chargées négativement sont attirées les unes vers les autres et forment des îlots. L'image de microscopie montre une telle île. La théorie prédit que lorsque l'île se formera de manière inattendue, des électrons supplémentaires du graphène affluent dans l'île et maintiennent les molécules ensemble. Ces électrons supplémentaires font de l'île une structure plus stable par rapport à une structure où les molécules restent séparées. Les scientifiques pourraient utiliser les îles pour modifier le graphène pour des applications électroniques. Crédit :Département américain de l'Énergie
Dans ce qui pourrait s'avérer être une avancée significative dans la fabrication de nouvelles technologies, les scientifiques ont découvert un nouveau mécanisme d'auto-assemblage qui pousse étonnamment les molécules chargées négativement à s'agglutiner pour former des îlots lorsque le graphène est soutenu par un isolant électrique. Dans ces conditions, les différentes interactions de charge ne sont pas diminuées, comme ils le sont lorsque le graphène est supporté par un substrat métallique. A de faibles concentrations, les molécules individuelles adsorbées se repoussent, mais avec une concentration croissante, les molécules forment des îlots à deux dimensions. Il a été déterminé par la théorie que le flux d'électrons supplémentaires dans les îles à partir du graphène maintient les molécules ensemble. Les forces motrices électroniques et les énergies de stabilisation sont suffisantes pour surmonter la répulsion entre les charges négatives.
Ce mécanisme d'auto-assemblage peut être utilisé pour régler les propriétés électroniques des couches de graphène dans les appareils et contrôler la façon dont les électrons circulent à travers le graphène. Ce mécanisme permet la structuration à l'échelle atomique des propriétés électroniques, ce qui ne peut pas être réalisé avec les techniques lithographiques conventionnelles actuellement utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs.
Le silicium a connu du succès car il s'agit d'un matériau semi-conducteur accordable électroniquement qui peut être utilisé dans les appareils électroniques. Le graphène présente des avantages distincts par rapport au silicium pour de nombreuses applications en raison de sa mobilité électronique plus élevée et d'une structure cristalline très stable, mais il peut être difficile de régler avec précision. Une façon d'ajuster les propriétés électroniques du graphène consiste à adsorber des molécules sur sa surface. Par exemple, des molécules chargées négativement sur une surface de graphène tirent des électrons de la couche de graphène, modifier ses propriétés électroniques. Cependant, les efforts pour assembler de manière contrôlée de telles molécules chargées négativement ont été limités car les espèces chargées négativement se repoussent. Maintenant, des scientifiques dirigés par l'Université de Californie-Berkeley et le Lawrence Berkeley National Laboratory ont découvert que cette répulsion peut être surmontée et que des îles bidimensionnelles peuvent être formées de manière contrôlée par des molécules chargées négativement sur du graphène soutenu par un isolant. Par microscopie et modélisation théorique, ils ont déterminé que l'isolant sous-jacent était la clé pour modifier la nature des interactions entre les molécules chargées négativement et le graphène. Ces molécules sont connues pour extraire des électrons de son substrat. Aux faibles concentrations en surface, les molécules chargées négativement acceptent séparément les électrons du graphène sous-jacent et se repoussent, comme prévu car des charges similaires se repoussent.
De manière remarquable et contre-intuitive, à des concentrations plus élevées, ces molécules chargées s'agglutinent pour former des îlots ordonnés. Ce comportement habituel est expliqué par la théorie comme le don d'électrons supplémentaires aux îlots de molécules par le graphène par rapport au don à une seule molécule. Ce surcoût rend énergétiquement plus favorable la formation d'îles. Étonnamment, ce comportement observé sur un substrat de graphène supporté par un isolant ne se produit pas lorsque le graphène est supporté par un métal. Cet auto-assemblage moléculaire offre une alternative possible à la structuration du graphène à l'aide de techniques lithographiques conventionnelles. Le réglage à l'échelle atomique des propriétés des couches de graphène pourrait permettre la fabrication de nouveaux dispositifs à base de graphène qui ne peuvent pas être fabriqués à l'aide de silicium.
