Pendant 15 ans, les scientifiques ont essayé d'exploiter le graphène « matériau miracle » pour produire de l'électronique à l'échelle nanométrique. Sur papier, le graphène devrait être idéal pour cela :il est ultra-mince - seulement un atome d'épaisseur et donc bidimensionnel, il est excellent pour conduire le courant électrique, et est très prometteur pour les futures formes d'électronique qui sont plus rapides et plus économes en énergie. En outre, le graphène est constitué d'atomes de carbone - dont nous avons un approvisionnement illimité.

En théorie, le graphène peut être modifié pour effectuer de nombreuses tâches différentes, par ex. électronique, photonique ou capteurs simplement en y découpant de minuscules motifs, car cela modifie fondamentalement ses propriétés quantiques. Une tâche "simple", qui s'est avéré étonnamment difficile, est d'induire une bande interdite, ce qui est crucial pour la fabrication de transistors et de dispositifs optoélectroniques. Cependant, comme le graphène n'a qu'un atome d'épaisseur, tous les atomes sont importants et même de minuscules irrégularités dans le motif peuvent détruire ses propriétés.

"Le graphène est un matériau fantastique, qui, je pense, jouera un rôle crucial dans la fabrication d'une nouvelle électronique à l'échelle nanométrique. Le problème est qu'il est extrêmement difficile de concevoir les propriétés électriques, " dit Peter Bøggild, professeur au DTU Physique.

Le Center for Nanostructured Grapheneat DTU et l'Université d'Aalborg ont été créés en 2012 spécifiquement pour étudier comment les propriétés électriques du graphène peuvent être adaptées en modifiant sa forme à une échelle extrêmement petite. Lors de la modélisation du graphène, l'équipe de chercheurs du DTU et d'Aalborg a vécu la même chose que d'autres chercheurs dans le monde :cela n'a pas fonctionné.

« Quand vous créez des motifs dans un matériau comme le graphène, vous le faites afin de modifier ses propriétés de manière contrôlée, pour correspondre à votre conception. Cependant, ce que nous avons vu au fil des ans, c'est que nous pouvons faire des trous, mais non sans introduire tant de désordre et de contamination qu'il ne se comporte plus comme le graphène. C'est un peu comme faire une conduite d'eau qui est en partie bouchée à cause d'une mauvaise fabrication. Dehors, ça peut avoir l'air bien, mais l'eau ne peut pas couler librement. Pour l'électronique, c'est évidemment désastreux, " dit Peter Bøggild.

Maintenant, l'équipe de scientifiques a résolu le problème. Les résultats sont publiés dans Nature Nanotechnologie .Deux post-doctorants du DTU Physique, Bjarke Jessen et Lene Gammelgaard, premier graphène encapsulé à l'intérieur d'un autre matériau bidimensionnel - nitrure de bore hexagonal, un matériau non conducteur qui est souvent utilisé pour protéger les propriétés du graphène.

Prochain, ils ont utilisé une technique appelée lithographie par faisceau d'électrons pour modeler soigneusement la couche protectrice de nitrure de bore et de graphène en dessous avec un réseau dense de trous ultra petits. Les trous ont un diamètre d'env. 20 nanomètres, avec seulement 12 nanomètres entre eux - cependant, la rugosité au bord des trous est inférieure à 1 nanomètre, ou un milliardième de mètre. Cela permet à 1000 fois plus de courant électrique de circuler que ce qui avait été rapporté dans de si petites structures de graphène. Et pas seulement ça.

« Nous avons montré que nous pouvons contrôler la structure de la bande du graphène et concevoir son comportement. Lorsque nous contrôlons la structure de la bande, nous avons accès à toutes les propriétés du graphène - et nous avons découvert à notre grande surprise que certains des effets électroniques quantiques les plus subtils survivent à la structuration dense - ce qui est extrêmement encourageant. Notre travail suggère que nous pouvons nous asseoir devant l'ordinateur et concevoir des composants et des dispositifs - ou imaginer quelque chose d'entièrement nouveau - puis aller au laboratoire et les réaliser dans la pratique, " dit Peter Bøggild. Il poursuit :

"De nombreux scientifiques ont depuis longtemps abandonné toute tentative de nanolithographie dans le graphène à cette échelle, et c'est bien dommage, puisque la nanostructuration est un outil crucial pour exploiter les caractéristiques les plus intéressantes de l'électronique et de la photonique au graphène. Maintenant, nous avons compris comment cela peut être fait; on pourrait dire que la malédiction est levée. Il y a d'autres défis, mais le fait que nous puissions adapter les propriétés électroniques du graphène est un grand pas vers la création d'une nouvelle électronique avec des dimensions extrêmement petites, " dit Peter Bøggild.