Du point de vue de l'électron, le graphène doit être un manège à sensations fortes. Pendant des années, les scientifiques ont observé que les électrons peuvent traverser le graphène à des vitesses approchant la vitesse de la lumière, beaucoup plus vite qu'ils ne peuvent traverser le silicium et d'autres matériaux semi-conducteurs.

Graphène, donc, a été présenté comme un successeur prometteur du silicium, avec le potentiel de permettre plus rapidement, appareils électroniques et photoniques plus efficaces.

Mais fabriquer du graphène vierge - un seul, parfaitement plat, feuille ultramince d'atomes de carbone, précisément alignés et reliés entre eux comme du grillage, c'est extrêmement difficile. Les procédés de fabrication conventionnels génèrent souvent des plis, qui peut faire dérailler le voyage en train à grande vitesse d'un électron, limitant considérablement les performances électriques du graphène.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont trouvé un moyen de fabriquer du graphène avec moins de rides, et pour aplanir les rides qui apparaissent. Après avoir fabriqué puis aplati le graphène, les chercheurs ont testé sa conductivité électrique. Ils ont trouvé que chaque plaquette présentait des performances uniformes, ce qui signifie que les électrons circulent librement à travers chaque plaquette, à des vitesses similaires, même à travers des régions précédemment ridées.

Dans un article publié aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , les chercheurs rapportent que leurs techniques produisent avec succès à l'échelle de la tranche, Graphène « à domaine unique » :des couches uniques de graphène qui sont uniformes à la fois dans l'arrangement atomique et les performances électroniques.

« Pour que le graphène joue le rôle de matériau semi-conducteur principal pour l'industrie, il doit être à domaine unique, de sorte que si vous faites des millions d'appareils dessus, les performances des appareils sont les mêmes dans n'importe quel endroit, " dit Jeehwan Kim, la classe de 1947 professeur adjoint en développement de carrière dans les départements de génie mécanique et de science et génie des matériaux du MIT. "Maintenant, nous pouvons vraiment produire du graphène à domaine unique à l'échelle d'une plaquette."

Les co-auteurs de Kim incluent Sanghoon Bae, Samuel Cruz, et Yunjo Kim du MIT, avec des chercheurs d'IBM, l'Université de Californie à Los Angeles, et l'Université nationale de Kyungpook en Corée du Sud.

Un patchwork de rides

La façon la plus courante de fabriquer du graphène implique le dépôt chimique en phase vapeur, ou CVD, un processus dans lequel des atomes de carbone sont déposés sur un substrat cristallin tel qu'une feuille de cuivre. Une fois que la feuille de cuivre est uniformément recouverte d'une seule couche d'atomes de carbone, les scientifiques plongent le tout dans de l'acide pour graver le cuivre. Ce qui reste est une seule feuille de graphène, que les chercheurs retirent ensuite de l'acide.

Le procédé CVD peut produire des rides macroscopiques du graphène, en raison de la rugosité du cuivre sous-jacent lui-même et du processus d'extraction du graphène de l'acide. L'alignement des atomes de carbone n'est pas uniforme à travers le graphène, créer un état "polycristallin" dans lequel le graphène ressemble à un inégal, terrain en patchwork, empêchant les électrons de circuler à des vitesses uniformes.

En 2013, tout en travaillant chez IBM, Kim et ses collègues ont développé une méthode pour fabriquer des plaquettes de graphène monocristallin, dans lequel l'orientation des atomes de carbone est exactement la même dans toute une tranche.

Plutôt que d'utiliser CVD, son équipe a produit du graphène monocristallin à partir d'une plaquette de carbure de silicium avec une surface atomiquement lisse, bien qu'avec tout petit, des rides en gradins de l'ordre de plusieurs nanomètres. Ils ont ensuite utilisé une fine feuille de nickel pour décoller le graphène le plus haut de la plaquette de carbure de silicium, dans un processus appelé transfert de graphène résolu en couche.

Frais de repassage

Dans leur nouveau papier, Kim et ses collègues ont découvert que le transfert de graphène à résolution de couche aplanit les marches et les minuscules rides du graphène fabriqué au carbure de silicium. Avant de transférer la couche de graphène sur une plaquette de silicium, l'équipe a oxydé le silicium, créant une couche de dioxyde de silicium qui présente naturellement des charges électrostatiques. Lorsque les chercheurs ont ensuite déposé le graphène, le dioxyde de silicium a effectivement attiré les atomes de carbone du graphène sur la plaquette, aplatir ses marches et ses rides.

Kim dit que cette méthode de repassage ne fonctionnerait pas sur le graphène fabriqué par CVD, comme les rides générées par CVD sont beaucoup plus grandes, de l'ordre de quelques microns.

"Le procédé CVD crée des rides trop hautes pour être aplanies, " note Kim. " Pour le graphène de carbure de silicium, les rides ne font que quelques nanomètres de haut, assez court pour être aplati."

Pour tester si l'aplati, les plaquettes de graphène monocristallin étaient à domaine unique, les chercheurs ont fabriqué de minuscules transistors sur plusieurs sites sur chaque plaquette, y compris dans des régions auparavant ridées.

« Nous avons mesuré la mobilité des électrons à travers les plaquettes, et leurs performances étaient comparables, " dit Kim. " De plus, cette mobilité dans le graphène repassé est deux fois plus rapide. Alors maintenant, nous avons vraiment du graphène à domaine unique, et sa qualité électrique est beaucoup plus élevée [que le carbure de silicium attaché au graphène]. "

Kim dit que même s'il reste encore des défis à relever pour adapter le graphène à une utilisation en électronique, les résultats du groupe donnent aux chercheurs un modèle pour fabriquer de manière fiable des matériaux vierges, domaine unique, graphène sans rides à l'échelle de la plaquette.

"Si vous voulez fabriquer un appareil électronique avec du graphène, vous devez travailler avec du graphène à domaine unique, " dit Kim. " Il y a encore un long chemin à parcourir pour fabriquer un transistor opérationnel à partir de graphène. But we can now show the community guidelines for how you can make single-crystalline, single-domain graphene."