Une équipe de scientifiques et d'ingénieurs multidisciplinaires de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a découvert un nouveau plus précis, méthode pour créer des dispositifs électromécaniques à l'échelle nanométrique. Les résultats de leurs recherches sont publiés dans Communication Nature .

« Au cours des cinq dernières années, il y a eu une énorme ruée vers l'or où les chercheurs ont découvert que nous pouvions fabriquer des matériaux 2D qui n'ont naturellement qu'une seule molécule d'épaisseur mais qui peuvent avoir de nombreuses propriétés électroniques différentes, et en les empilant les uns sur les autres, nous pourrions concevoir presque n'importe quel appareil électronique à des tailles moléculaires, " a déclaré Arend van der Zande, professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie.

« Le défi était, bien que nous puissions réduire ces structures à quelques molécules d'épaisseur, nous ne pouvions pas les modeler, " il a dit.

À n'importe quelle échelle d'appareil électronique, les couches sont gravées dans des motifs précis pour contrôler la façon dont le courant circule. « Ce concept sous-tend de nombreuses technologies, comme les circuits intégrés. Cependant, plus tu vas petit, plus c'est difficile à faire, " a déclaré van der Zande.

"Par exemple, comment établissez-vous un contact électrique sur les couches moléculaires trois et cinq, mais pas sur la couche quatre au niveau atomique ?"

Une découverte fortuite a conduit à une méthode pour faire exactement cela.

En tant que nouveau chercheur postdoctoral dans le laboratoire de van der Zande, Jangyup Son menait des expériences sur des couches simples de graphène en utilisant du difluorure de xénon, XeF2, quand il lui est arrivé de « jeter » un autre matériau sous la main :le nitrure de bore hexagonal (hBN), un isolant électrique.

"Jangyup a poussé les deux matériaux dans la chambre de gravure en même temps, et ce qu'il a vu, c'est qu'une seule couche de graphène était toujours là, mais un morceau épais de hBN a été complètement gravé par le difluorure de xénon."

Cette découverte accidentelle a conduit l'équipe à voir où ils pourraient appliquer la capacité du graphène à résister à l'agent de gravure.

"Cette découverte nous a permis de modéliser des structures bidimensionnelles en plaçant des couches de graphène entre d'autres matériaux, tels que le nitrure de bore hexagonal (hBN), les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), et le phosphore noir (BP), pour graver sélectivement et précisément une couche sans graver la couche en dessous."

Graphène, lorsqu'il est exposé à l'agent de gravure XeF2, conserve sa structure moléculaire et ses masques, ou protège, la couche ci-dessous et arrête réellement la gravure.

"Ce que nous avons découvert, c'est un moyen de modéliser des structures complexes à l'échelle moléculaire et atomique, " il a dit.

Pour explorer les points forts de la nouvelle technique, le groupe a créé un simple transistor au graphène pour tester ses performances par rapport aux transistors au graphène de fabrication traditionnelle, qui sont actuellement modelés d'une manière qui induit un désordre dans le matériau, dégradant leurs performances.

"Parce que ces molécules sont toutes de surface, si vous l'avez assis sur quoi que ce soit avec un quelconque trouble, cela perturbe la capacité des électrons à se déplacer à travers le matériau et donc les performances électroniques, " a déclaré van der Zande. " Afin de faire le meilleur appareil possible, vous devez encapsuler la molécule de graphène dans un autre matériau bidimensionnel tel que l'isolant hBN pour le garder super plat et propre."

C'est là que la nouvelle technique est si utile. La molécule de graphène peut rester encapsulée et vierge, tout en résistant à la gravure nécessaire pour entrer en contact avec le matériau, préservant ainsi les propriétés du matériau.

Comme preuve de concept, les transistors fabriqués selon la nouvelle technique surpassent tous les autres transistors, "ce qui en fait les meilleurs transistors au graphène jusqu'à présent démontrés dans la littérature."

Les prochaines étapes, dit van der Zande, sont de voir à quel point la technique est évolutive et si elle permettra des appareils auparavant impossibles. Peut-on profiter du caractère auto-arrêtant de cette technique pour fabriquer un million de transistors identiques plutôt qu'un seul ? Pouvons-nous modéliser des dispositifs à l'échelle nanométrique dans les trois dimensions en même temps pour fabriquer des nanorubans sans aucun désordre ?

"Maintenant que nous avons un moyen de minimiser le désordre dans le matériau, nous explorons des moyens de créer des fonctionnalités plus petites car nous pouvons faire de l'encapsulation et de la modélisation en même temps, " dit-il. " Normalement, lorsque vous essayez de créer des éléments plus petits comme des nanorubans de matériaux 2D, le désordre commence à dominer, donc les appareils ne fonctionnent pas correctement."

"L'arrêt de gravure au graphène, comme s'appelle la technique, facilitera l'ensemble du processus de création d'appareils."