Il est désormais possible de fabriquer un matériau prisé pour les dispositifs spintroniques et les semi-conducteurs :des nanorubans de graphène monocouche avec des bords en zigzag.

De minuscules rubans de graphène sont des blocs de construction très recherchés pour les dispositifs à semi-conducteurs en raison de leurs propriétés électroniques prédites. Mais fabriquer ces nanostructures est resté un défi. Maintenant, une équipe de chercheurs chinois et japonais a mis au point une nouvelle méthode pour fabriquer les structures en laboratoire. Leurs conclusions paraissent dans le numéro actuel de Lettres de physique appliquée .

"De nombreuses études ont prédit les propriétés des nanorubans de graphène avec des bords en zigzag, " dit Guangyu Zhang, auteur principal de l'étude. "Mais dans les expériences, il est très difficile de fabriquer ce matériau."

Précédemment, les chercheurs ont essayé de fabriquer des nanorubans de graphène en plaçant des feuilles de graphène sur une couche de silice et en utilisant de l'hydrogène atomique pour graver des bandes avec des bords en zigzag, un procédé connu sous le nom de gravure anisotrope. Ces bords sont cruciaux pour moduler les propriétés du nanoruban.

Mais cette méthode n'a bien fonctionné que pour fabriquer des rubans comportant deux ou plusieurs couches de graphène. Les irrégularités de la silice créées par les pics et les vallées électroniques rendent sa surface rugueuse, créer des bords en zigzag précis sur des monocouches de graphène était donc un défi. Zhang et ses collègues de l'Académie chinoise des sciences, Laboratoire clé de Pékin pour les nanomatériaux et les nanodispositifs, et le Collaborative Innovation Center of Quantum Matter s'est associé à des collaborateurs japonais de l'Institut national des sciences des matériaux pour résoudre le problème.

Ils ont remplacé la silice sous-jacente par du nitrure de bore, un matériau cristallin chimiquement lent et doté d'une surface lisse dépourvue de bosses et de creux électroniques. En utilisant ce substrat et la technique de gravure anisotrope, le groupe a réussi à fabriquer des nanorubans de graphène d'une seule couche d'épaisseur, et avait des bords en zigzag bien définis.

"C'est la première fois que nous voyons que le graphène sur une surface de nitrure de bore peut être fabriqué de manière aussi contrôlable, " expliqua Zhang.

Les nanorubans à bords en zigzag ont montré une mobilité électronique élevée de l'ordre de 2000 cm2/Vs même à des largeurs inférieures à 10 nm - la valeur la plus élevée jamais rapportée pour ces structures - et ont créé des des bandes interdites énergétiques étroites, ce qui en fait des matériaux prometteurs pour les dispositifs spintroniques et nanoélectroniques.

"Lorsque vous diminuez la largeur des nanorubans, la mobilité diminue drastiquement à cause des défauts de bord, " a déclaré Zhang. " En utilisant des techniques de fabrication de lithographie standard, des études ont constaté une mobilité de 100 cm2/Vs ou même inférieure, mais notre matériau dépasse toujours 2000 cm2/Vs même à l'échelle inférieure à 10 nanomètres, démontrant que ces nanorubans sont de très haute qualité."

Dans les études futures, étendre cette méthode à d'autres types de substrats pourrait permettre le traitement rapide à grande échelle de monocouches de graphène pour fabriquer des nanorubans de haute qualité avec des bords en zigzag.