Un diagramme atomique schématique d'un puits quantique fait de couches de carbone amorphe. Les atomes bleus représentent le carbone amorphe avec un pourcentage élevé de carbone semblable au diamant. Les atomes marrons représentent le carbone amorphe qui ressemble au graphite. Les régions de type diamant ont un potentiel élevé (le diamant est isolant) tandis que les régions de type graphite sont plus métalliques. Cela crée un puits quantique car les électrons sont confinés dans la région de type graphite en raison du potentiel relativement élevé dans les régions de type diamant. Les super-réseaux sont constitués d'une série de puits quantiques. Crédit :Université Wits
Des chercheurs du Laboratoire de physique des transports à l'échelle nanométrique de l'École de physique de l'Université de Witwatersrand ont trouvé une technique pour améliorer les super-réseaux de carbone pour les applications de dispositifs électroniques quantiques. Les super-réseaux sont constitués de couches alternées de semi-conducteurs très minces, à peine quelques nanomètres d'épaisseur. Ces couches sont si fines que la physique de ces dispositifs est régie par la mécanique quantique, où les électrons se comportent comme des ondes. Dans un changement de paradigme par rapport aux appareils électroniques conventionnels, l'exploitation des propriétés quantiques des super-réseaux est porteuse de promesses de développement de nouvelles technologies.
Le groupe, dirigé par le professeur Somnath Bhattacharyya, travaille depuis 10 ans au développement de dispositifs nano-électroniques à base de carbone.
"Le carbone est l'avenir dans le domaine de l'électronique et il mettra bientôt au défi de nombreux autres semi-conducteurs, y compris le silicium, " dit Bhattacharyya.
La physique des super-réseaux carbonés est plus complexe que celle des super-réseaux cristallins (comme l'arséniure de gallium), puisque le matériau est amorphe et que les atomes de carbone ont tendance à former des chaînes et des réseaux. Le groupe Wits, en association avec des chercheurs de l'Université de Surrey au Royaume-Uni, a développé une approche théorique détaillée pour comprendre les données expérimentales obtenues à partir de dispositifs au carbone. L'article a été publié en Rapports scientifiques le 19 octobre.
« Ce travail permet de comprendre les propriétés quantiques fondamentales des super-réseaux de carbone, que nous pouvons maintenant utiliser pour concevoir des dispositifs quantiques pour des applications spécifiques, " dit l'auteur principal, Doctorant de Wits, Ross McIntosh. "Nos travaux donnent une forte impulsion aux futures études des propriétés électroniques et optoélectroniques à haute fréquence des super-réseaux de carbone".
Par leur travail, le groupe a présenté l'un des premiers modèles théoriques pouvant expliquer les propriétés fondamentales du transport électronique dans les super-réseaux de carbone désordonnés.
Bhattacharyya a commencé à étudier l'utilisation du carbone pour les applications de semi-conducteurs il y a près de 10 ans, avant de rejoindre l'université de Wits, quand lui et ses co-auteurs de l'Université de Surrey ont développé et démontré une résistance différentielle négative et d'excellentes propriétés à haute fréquence d'un dispositif quantique composé de couches de carbone amorphe. Ce travail a été publié dans Matériaux naturels en 2006.
Un diagramme atomique schématique d'un puits quantique fait de couches de carbone amorphe. Les atomes bleus représentent le carbone amorphe avec un pourcentage élevé de carbone semblable au diamant. Les atomes marrons représentent le carbone amorphe qui ressemble au graphite. Les régions de type diamant ont un potentiel élevé (le diamant est isolant) tandis que les régions de type graphite sont plus métalliques. Cela crée un puits quantique car les électrons sont confinés dans la région de type graphite en raison du potentiel relativement élevé dans les régions de type diamant. Les chaînes marron à travers les régions en forme de diamant représentent des chaînes polymères, une caractéristique qui est unique aux super-réseaux de carbone. Les super-réseaux sont constitués d'une série de puits quantiques. Les atomes verts représentent les impuretés azotées. Crédit :Université Wits
McIntosh a saisi l'opportunité au niveau des honneurs de mesurer les propriétés électriques des dispositifs à superréseau de carbone. Maintenant, en tant que doctorant et ayant beaucoup travaillé avec le théoricien Dr. Mikhail V. Katkov, il a étendu le cadre théorique et développé une technique pour calculer les propriétés de transport de ces dispositifs.
Bhattacharyya pense que ce travail aura une importance immense dans le développement de dispositifs haute fréquence à base de carbone.
« Il ouvrira non seulement des études fondamentales sur les matériaux Carbone, mais il aura aussi des applications industrielles dans le secteur des dispositifs électroniques et optoélectroniques, " il dit.
Les super-réseaux sont actuellement utilisés comme oscillateurs et amplificateurs haute fréquence de pointe et commencent à trouver une utilisation en optoélectronique comme détecteurs et émetteurs dans le régime térahertz. Alors que les propriétés électriques et optoélectroniques à haute fréquence des semi-conducteurs conventionnels sont limitées par les dopants utilisés pour modifier leurs propriétés électroniques, les propriétés des super-réseaux peuvent être réglées sur une plage beaucoup plus large pour créer des dispositifs qui fonctionnent dans des régimes où les dispositifs conventionnels ne le peuvent pas.
Les dispositifs électroniques à super-réseau peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées et les dispositifs optoélectroniques peuvent fonctionner à des fréquences plus basses que leurs homologues conventionnels. Le manque d'émetteurs et de détecteurs térahertz a entraîné une lacune dans cette région du spectre électromagnétique (connue sous le nom de "lacune térahertz"), ce qui est une limitation importante, autant de molécules biologiques sont actives dans ce régime. Cela limite également la radioastronomie térahertz.
Les dispositifs en carbone amorphe sont extrêmement résistants, peut fonctionner à haute tension et peut être développé dans la plupart des laboratoires dans le monde, sans installations de nano-fabrication sophistiquées. De nouveaux dispositifs à base de carbone pourraient trouver une application en biologie, technologie spatiale, des infrastructures scientifiques telles que le télescope Square Kilometer Array (SKA) en Afrique du Sud, et de nouveaux détecteurs à micro-ondes.
"Ce qui manquait auparavant, c'était une compréhension de la modélisation des appareils. Si nous avons un modèle, nous pouvons améliorer la qualité de l'appareil, et c'est ce que nous avons maintenant, " dit Bhattacharyya.
