Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Université Columbia a développé une technique pour manipuler la conductivité électrique du graphène avec compression, rapprocher le matériau d'être un semi-conducteur viable pour une utilisation dans les appareils électroniques d'aujourd'hui.

"Le graphène est le meilleur conducteur électrique que l'on connaisse sur Terre, " a déclaré Matthew Yankowitz, chercheur postdoctoral au département de physique de Columbia et premier auteur de l'étude. "Le problème, c'est qu'il est trop bon pour conduire l'électricité, et nous ne savons pas comment l'arrêter efficacement. Notre travail établit pour la première fois une voie pour réaliser une bande interdite technologiquement pertinente dans le graphène sans compromettre sa qualité. En outre, s'il est appliqué à d'autres combinaisons intéressantes de matériaux 2D, la technique que nous avons utilisée peut conduire à de nouveaux phénomènes émergents, comme le magnétisme, supraconductivité, et plus."

L'étude, financé par la National Science Foundation et la Fondation David et Lucille Packard, paraît dans le numéro du 17 mai de La nature .

Les propriétés électroniques inhabituelles du graphène, un matériau bidimensionnel (2-D) constitué d'atomes de carbone liés de manière hexagonale, ont enthousiasmé la communauté des physiciens depuis sa découverte il y a plus de dix ans. Le graphène est le plus fort, matériau le plus fin connu. Il se trouve également qu'il s'agit d'un conducteur d'électricité supérieur - l'arrangement atomique unique des atomes de carbone dans le graphène permet à ses électrons de se déplacer facilement à une vitesse extrêmement élevée sans risque important de dispersion, économisant une énergie précieuse généralement perdue dans d'autres conducteurs.

Mais désactiver la transmission des électrons à travers le matériau sans altérer ni sacrifier les qualités favorables du graphène s'est avéré infructueux à ce jour.

"L'un des grands objectifs de la recherche sur le graphène est de trouver un moyen de conserver toutes les bonnes choses du graphène, mais aussi de créer une bande interdite - un interrupteur marche-arrêt électrique, " dit Cory Dean, professeur adjoint de physique à l'Université Columbia et chercheur principal de l'étude. Il a expliqué que les efforts passés pour modifier le graphène pour créer une telle bande interdite ont dégradé les propriétés intrinsèquement bonnes du graphène, le rendant beaucoup moins utile. Une superstructure est prometteuse, toutefois. Lorsque le graphène est pris en sandwich entre des couches de nitrure de bore (BN), un isolant électrique de faible épaisseur, et les deux matériaux sont alignés en rotation, il a été démontré que le BN modifie la structure électronique du graphène, créer une bande interdite qui permet au matériau de se comporter comme un semi-conducteur, c'est-à-dire à la fois comme conducteur électrique et comme isolant. La bande interdite créée par cette seule stratification, cependant, n'est pas assez grand pour être utile dans le fonctionnement de dispositifs à transistors électriques à température ambiante.

Afin d'améliorer cette bande interdite, Yankowitz, Doyen, et leurs collègues du National High Magnetic Field Laboratory, l'Université de Séoul en Corée, et l'Université nationale de Singapour, compressé les couches de la structure BN-graphène et a constaté que l'application d'une pression augmentait considérablement la taille de la bande interdite, bloquer plus efficacement le flux d'électricité à travers le graphène.

"Alors que nous pressons et appliquons une pression, la bande interdite augmente, " Yankowitz a déclaré. " Ce n'est toujours pas un écart assez grand - un interrupteur assez puissant - pour être utilisé dans des dispositifs à transistors à température ambiante, mais nous avons fondamentalement mieux compris pourquoi cette bande interdite existe en premier lieu, comment il peut être réglé, et comment nous pouvons le cibler à l'avenir. Les transistors sont omniprésents dans nos appareils électroniques modernes, donc si nous pouvions trouver un moyen d'utiliser le graphène comme transistor, il aurait des applications très répandues. »

Yankowitz a ajouté que les scientifiques mènent des expériences à haute pression dans des matériaux tridimensionnels conventionnels depuis des années, mais personne n'avait encore trouvé un moyen de les faire avec des matériaux 2D. Maintenant, les chercheurs pourront tester comment l'application de divers degrés de pression modifie les propriétés d'une vaste gamme de combinaisons de matériaux 2D empilés.

« Toute propriété émergente résultant de la combinaison de matériaux 2D devrait se renforcer à mesure que les matériaux sont compressés, " Yankowitz a déclaré. "Nous pouvons prendre n'importe laquelle de ces structures arbitraires maintenant et les presser et la force de l'effet résultant est réglable. Nous avons ajouté un nouvel outil expérimental à la boîte à outils que nous utilisons pour manipuler les matériaux 2D et cet outil ouvre des possibilités illimitées pour créer des appareils avec des propriétés de concepteur. »