De nouveaux matériaux sont nécessaires pour réduire davantage la taille des composants électroniques et ainsi rendre les appareils tels que les ordinateurs portables et les smartphones plus rapides et plus efficaces. De minuscules nanostructures du nouveau matériau graphène sont prometteuses à cet égard. Le graphène est constitué d'une seule couche d'atomes de carbone et, entre autres, a une conductivité électrique très élevée. Cependant, le confinement spatial extrême dans de telles nanostructures influence fortement leurs propriétés électroniques. Une équipe dirigée par le professeur Michael Bonitz de l'Institut de physique théorique et d'astrophysique (ITAP) de l'Université de Kiel a maintenant réussi à simuler le comportement détaillé des électrons dans ces nanostructures spéciales à l'aide d'un modèle informatique élaboré. Cette connaissance est cruciale pour l'utilisation potentielle des nanostructures de graphène dans les appareils électroniques.

Simulation précise des propriétés des électrons dans les nanostructures

L'année dernière, deux équipes de recherche ont réussi indépendamment l'une de l'autre à fabriquer des nanorubans de graphène atomiquement précis et en mesurant leurs énergies électroniques. La largeur des nanorubans varie de manière contrôlée avec précision. Chaque section des nanorubans a ses propres états d'énergie avec sa propre structure électronique. "Toutefois, les résultats de mesure n'ont pas pu être entièrement reproduits par les modèles théoriques antérieurs, " dit Bonitz, qui dirige la chaire de physique statistique de l'ITAP. Avec son doctorat. l'étudiant Jan-Philip Joost et leur collègue danois le professeur Antti-Pekka Jauho de l'Université technique du Danemark (DTU), ils ont développé un modèle amélioré qui a conduit à un excellent accord avec les expériences. Les physiciens présentent leurs résultats théoriques dans le numéro actuel de la célèbre revue Lettres nano .

La base des nouvelles simulations informatiques plus précises était l'hypothèse que les écarts entre l'expérience et les modèles précédents étaient causés par les détails de la répulsion mutuelle des électrons. Bien que cette interaction de Coulomb existe également dans les métaux, et en effet a été inclus dans les simulations précédentes de manière approximative, l'effet est beaucoup plus important dans les petits nanorubans de graphène, et nécessite une analyse détaillée. Les électrons sont expulsés de leurs états d'énergie d'origine et doivent « rechercher » d'autres endroits, comme l'explique Bonitz :« Nous avons pu prouver que les effets de corrélation dus à l'interaction coulombienne des électrons ont une influence dramatique sur le spectre d'énergie local ».

La forme des nanorubans détermine leurs propriétés électroniques

Comment les valeurs d'énergie admissibles des électrons dépendent de la longueur, largeur, et la forme des nanostructures a été clarifiée par l'équipe en étudiant de nombreux nanorubans. "Le spectre d'énergie change également lorsque la géométrie des nanorubans, leur largeur, et forme, est modifié, " ajoute Joost. "Pour la première fois, nos nouvelles données permettent de faire des prédictions précises sur la façon dont le spectre d'énergie peut être contrôlé en faisant varier spécifiquement la forme des nanorubans, ", déclare Jauho du DTU de Copenhague. Les chercheurs espèrent que ces prédictions seront désormais également testées expérimentalement et conduiront au développement de nouvelles nanostructures. De tels systèmes peuvent apporter des contributions importantes à la miniaturisation ultérieure de l'électronique.