Des rubans de graphène larges de quelques atomes seulement, les nanorubans de graphène, possèdent des propriétés électriques particulières qui en font des candidats prometteurs pour la nanoélectronique du futur. Alors que le graphène, une couche de carbone unidimensionnelle, est un matériau conducteur, il peut devenir un semi-conducteur sous forme de nanorubans. Cela signifie qu'il a une énergie ou une bande interdite suffisamment grande dans laquelle aucun état électronique ne peut exister - il peut être allumé et éteint, et peut ainsi devenir un élément clé des nanotransistors.

Les moindres détails de la structure atomique de ces bandes de graphène, cependant, avoir des effets massifs sur la taille du gap énergétique, et donc sur la façon dont les nanorubans sont bien adaptés en tant que composants de transistors. D'un côté, l'écart dépend de la largeur des rubans de graphène, alors que d'autre part cela dépend de la structure des bords. Puisque le graphène est constitué d'hexagones de carbone équilatéraux, la bordure peut avoir une forme en zigzag ou une forme dite de fauteuil, selon l'orientation des rubans. Alors que les bandes avec un bord en zigzag se comportent comme des métaux, c'est-à-dire qu'ils sont conducteurs, ils deviennent des semi-conducteurs avec le bord du fauteuil.

Cela pose un défi majeur pour la production de nanorubans. Si les rubans sont découpés dans une couche de graphène ou réalisés par découpe de nanotubes de carbone, les bords peuvent être irréguliers, Et ainsi, les rubans de graphène peuvent ne pas présenter les propriétés électriques souhaitées.

Création d'un semi-conducteur à neuf atomes

Des chercheurs de l'Empa, en collaboration avec le Max Planck Institute for Polymer Research de Mayence et l'Université de Californie à Berkeley, ont maintenant réussi à faire pousser des rubans d'exactement neuf atomes de large avec un bord de fauteuil régulier à partir de molécules précurseurs. Les molécules spécialement préparées sont évaporées dans un ultra-vide à cet effet. Après plusieurs étapes de processus, ils sont combinés comme des pièces de puzzle sur une base d'or pour former les nanorubans souhaités d'environ un nanomètre de largeur et jusqu'à 50 nanomètres de longueur.

Ces structures, qui ne peut être vu qu'avec un microscope à effet tunnel, ont maintenant un écart énergétique relativement important et défini avec précision. Cela a permis aux chercheurs d'aller plus loin et d'intégrer les rubans de graphène dans des nanotransistors. Initialement, cependant, les premières tentatives n'ont pas été très fructueuses. Les mesures ont montré que la différence de flux de courant entre l'état "ON" (c'est-à-dire avec tension appliquée) et l'état "OFF" (sans tension appliquée) était bien trop faible. Le problème était la couche diélectrique d'oxyde de silicium qui relie les couches semi-conductrices au contact du commutateur électrique. Afin d'avoir les propriétés souhaitées, il devait faire 50 nanomètres d'épaisseur, lequel, à son tour, influence le comportement des électrons.

Cependant, les chercheurs ont ensuite réussi à réduire massivement cette couche en utilisant de l'oxyde d'hafnium (HfO2) au lieu de l'oxyde de silicium comme matériau diélectrique. Par conséquent, la couche n'a plus que 1,5 nanomètre d'épaisseur et le courant "en marche" est d'un ordre de grandeur plus élevé.

Un autre problème était l'incorporation de rubans de graphène dans le transistor. À l'avenir, les rubans ne doivent plus être situés en croix sur le substrat du transistor, mais plutôt aligné exactement le long du canal du transistor. Cela réduirait considérablement le niveau actuellement élevé de nanotransistors non fonctionnels.