Fig. 1. Deux types de bigraphene :graphène bicouche empilé AA où chaque atome de la feuille supérieure se trouve exactement au-dessus d'un atome de la feuille inférieure et graphène bicouche empilé AB où seulement la moitié des atomes de la feuille supérieure se trouvent au-dessus un autre atome, tandis que l'autre moitié se trouve au centre d'un hexagone formé par les atomes de la feuille inférieure. Crédit :Service de presse MIPT
Une équipe internationale de scientifiques a organisé les données bibliographiques disponibles sur le graphène bicouche, un matériau à fort potentiel avec des applications possibles en électronique et en optique. L'article de synthèse a été publié dans Rapports de physique .
La ruée vers le graphène
Le développement de la microélectronique est étroitement associé à la recherche de nouvelles technologies et matériaux utilisables dans les transistors. Un matériau prometteur, graphène, a attiré l'attention des scientifiques et des ingénieurs grâce à sa mécanique inhabituelle, électrique, et les propriétés optiques. La ruée vers le graphène a commencé en 2004 avec la publication d'un article de Konstantin Novoselov et Andre Geim dans Science . À ce jour, plus de 10, 000 articles traitant du graphène ont été publiés et plus d'un millier de brevets relatifs au matériau ont été accordés.
Graphène bicouche, ou bigraphène, est l'une des formes passionnantes du graphène, qui gagne actuellement du terrain :rien qu'en 2014 et 2015, plus de 1, 000 articles sur le bigraphene ont été publiés.
Dr Alexandre Rojkov, un co-auteur de la revue actuelle, résume l'exploit de l'équipe :« Pour rédiger la critique sur le graphène bicouche, nous avons passé deux ans à étudier et à organiser toutes les découvertes expérimentales et théoriques les plus importantes dans le domaine. Par conséquent, nous avons publié une revue citant environ 450 articles scientifiques sur le graphène bicouche et des sujets connexes. À l'heure actuelle, il s'agit de l'examen le plus complet traitant de la question, à la fois en termes de nombre de références et de portée du sujet. »
Pourquoi deux valent mieux qu'un
L'une des caractéristiques attrayantes du graphène est sa mobilité élevée des porteurs de charge. En réalité, elle est des dizaines de fois supérieure à la quantité analogue dans le silicium, le matériau de prédilection de la microélectronique moderne. Les électrons et les trous (lacunes électroniques) dans le graphène peuvent se déplacer facilement et rapidement sous l'influence d'un champ électrique externe. Cependant, un transistor à base de graphène monocouche présente un inconvénient important en ce qu'il ne peut pas être coupé efficacement. Cela s'explique par le fait que le graphène n'a pas de bande interdite, c'est à dire., une gamme de valeurs énergétiques interdites à ses électrons. Par conséquent, le flux de courant à travers un tel transistor ne peut pas être complètement arrêté.
Le principal avantage du graphène bicouche est la possibilité d'induire localement une bande interdite et d'ajuster sa magnitude en appliquant un fort champ électrique perpendiculaire aux feuilles de carbone. Cela signifie qu'il pourrait être utilisé pour concevoir des transistors de nouvelle génération qui fonctionneraient plus rapidement et utiliseraient moins d'énergie, ce qui est particulièrement important pour les appareils portables alimentés par batterie. En outre, la possibilité de réglage de la bande interdite signifie qu'il y a encore plus de potentiel pour les applications dans l'optoélectronique et les capteurs.
Fig. 2. Le troisième type de bigraphene connu sous le nom de graphène bicouche torsadé. Les hexagones blancs marquent les limites des cellules du super-réseau (cellules à motif moiré). Crédit :Service de presse MIPT
Néanmoins, une véritable révolution microélectronique est encore à venir. Par rapport au graphène ordinaire, un échantillon bicouche de haute qualité est plus difficile à fabriquer, car il faut contrôler la qualité du matériau et la précision de l'alignement des couches pour préserver une mobilité de charge élevée et d'autres caractéristiques.
Il existe trois principaux types de bigraphene. Dans AA -graphène bicouche empilé, les couches sont alignées de telle manière que chaque atome de la feuille supérieure se trouve exactement au-dessus d'un atome de la feuille inférieure. Dans UN B -graphène bicouche empilé, les couches sont superposées d'une manière différente, à savoir, seulement la moitié des atomes de la feuille supérieure se trouvent au-dessus d'un atome, tandis que l'autre moitié se trouve au centre d'un hexagone dans le réseau cristallin de la feuille inférieure (voir Fig. 1). Dans une autre variante, appelé tordu bigraphène, une couche est tournée d'un angle prédéterminé par rapport à l'autre couche. Chacun des trois types a ses propres caractéristiques particulières, qui doivent être étudiés.
Futur graphène
A présent, bon nombre des schémas et concepts théoriques initialement proposés ont été absorbés par la communauté scientifique. Les prédictions faites à l'ère pré-graphène (les années 1980 et 1990) et peu de temps après le début de la ruée vers le graphène ont été testées grâce aux progrès rapides réalisés par la science expérimentale du graphène au cours de la dernière décennie. A l'instant présent, les scientifiques se sont engagés à trouver des applications pour le matériau. Toujours, les chercheurs fondamentaux (ne cherchant pas d'applications immédiates) sont également occupés à résoudre de nouveaux problèmes survenant dans le domaine des systèmes de graphène. Pour une chose, la mesure dans laquelle la répulsion de Coulomb entre les électrons peut affecter les propriétés des systèmes de graphène reste inconnue. Pour aborder cette question, des concepts relativement nouveaux pour la physique du solide sont discutés, par exemple., le liquide de Fermi marginal et les états topologiquement ordonnés.
Les auteurs de l'article de synthèse étudient le graphène bicouche depuis six ans. Ils ont contribué à la compréhension de la structure électronique de ce matériau. En particulier, ils ont examiné la possibilité d'une rupture spontanée de symétrie dans AA -graphène bicouche empilé. Les chercheurs ont également théoriquement prédit l'instabilité du sous-système électronique dans AA -bigraphène empilé et identifié la possibilité d'un ordre antiferromagnétique et d'états spatialement inhomogènes dans un système bicouche. Mis à part cela, les auteurs ont étudié les états à électron unique dans tordu graphène bicouche à divers angles de torsion et pour différentes tailles de cellules de super-réseau, où la notion d'une cellule de super-réseau (aka cellule de motif moiré ; voir Fig. 2) fait référence à une structure relativement grande apparaissant périodiquement dans le motif atomique, qui se produit lorsque deux feuilles de graphène superposées sont tordues l'une par rapport à l'autre.
Dr Artem Sboychakov, un co-auteur de la revue et un chercheur principal au laboratoire n° 1 de l'Institut d'électrodynamique théorique et appliquée a commenté la publication de la revue :« C'est une caractéristique commune de tous les systèmes avec un motif moiré, y compris le graphène bicouche torsadé ils sont dotés d'une physique assez complexe, principalement en raison de la complexité de leur structure. Certains aspects de leur comportement tels que les effets des interactions entre les électrons ne sont pas encore entièrement compris. Nous devrions nous attendre à un certain nombre de découvertes passionnantes dans ce domaine. "
Le Dr Alexander Rakhmanov du MIPT, qui dirige le laboratoire n° 1 de l'Institut d'électrodynamique théorique et appliquée, a ajouté :« Notre équipe possède une expérience considérable dans les études théoriques des interactions électron-électron dans les systèmes à base de graphène. outre les approches purement analytiques, le rôle des techniques numériques ne peut être surestimé. Ils nous aident à trouver les réponses à de nombreuses questions théoriques importantes. Les auteurs de cette revue font principalement des recherches à l'Institut de recherche physique et chimique RIKEN au Japon et à l'Institut d'électrodynamique théorique et appliquée, qui collabore étroitement avec le Département d'électrodynamique des systèmes complexes et de nanophotonique du MIPT. Entre ces deux instituts clés, nous avons suffisamment de puissance de calcul pour mener des études informatiques approfondies. Je pense que je pourrais résumer les résultats de mes propres recherches et l'expérience que nous avons acquise lors de la rédaction de la revue en disant que nous pouvons nous attendre à ce que le graphène et les systèmes basés sur ce matériau restent une source d'inspiration scientifique pour de nombreux chercheurs - à la fois théoriciens et expérimentateurs - pour les années à venir."
