Depuis sa découverte en 2004, le graphène a retenu l'attention en raison de ses propriétés extraordinaires, parmi lesquelles sa très grande mobilité des porteurs. Cependant, la mobilité élevée des porteurs n'a été observée qu'en utilisant des techniques qui nécessitent des méthodes de fabrication complexes et coûteuses. Maintenant, les chercheurs de Chalmers rapportent une mobilité étonnamment élevée des porteurs de charge du graphène en utilisant des méthodes beaucoup moins chères et plus simples.

"Cette découverte montre que le graphène transféré sur des substrats bon marché et flexibles peut encore avoir une mobilité élevée sans compromis, et ouvre la voie à une nouvelle ère de la nanoélectronique du graphène", déclare Munis Khan, chercheur à l'Université de technologie de Chalmers.

Le graphène est la couche d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome, connue comme le matériau le plus fin au monde. Le matériau est devenu un choix populaire dans l'industrie des semi-conducteurs, de l'automobile et de l'optoélectronique en raison de ses excellentes propriétés électriques, chimiques et matérielles. L'une de ces propriétés est sa très grande mobilité des porteurs.

"En physique du solide, la mobilité des porteurs d'électrons caractérise la vitesse à laquelle un électron peut se déplacer à travers un métal ou un semi-conducteur lorsqu'il est tiré par un champ électrique. La mobilité électronique élevée du graphène indique un grand potentiel pour les communications à large bande et l'électronique à grande vitesse fonctionnant à taux de commutation térahertz. De plus, les autres propriétés du matériau, telles qu'une stabilité chimique élevée, une excellente transparence et une sensibilité électrique aux produits biochimiques, en font un matériau prometteur pour les écrans, les dispositifs de collecte de lumière et les biocapteurs", déclare Munis Khan.

Cependant, la mobilité extrêmement élevée des porteurs dans le graphène est soit observée dans le graphène exfolié mécaniquement, un processus qui manque d'évolutivité industrielle, soit dans les dispositifs de graphène fabriqués sur du nitrure de bore hexagonal. Ces mobilités élevées ont également été observées en transférant du graphène développé par un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à des hétérostructures d'oxydes complexes. Toutes ces techniques nécessitent des méthodes de fabrication complexes et coûteuses, ce qui non seulement les rend plus chères, mais entrave également la production en série de tels dispositifs.

Graphène moins cher avec une grande mobilité des porteurs

Maintenant, Munis Khan et ses collègues rapportent une mobilité étonnamment élevée des porteurs de charge du graphène CVD cultivé sur une feuille de cuivre non polie et transféré sur une feuille de stratification EVA/PET en utilisant un laminateur de bureau ordinaire et une gravure humide du cuivre. La mobilité a été multipliée par huit après avoir simplement maintenu le sandwich graphène sur plastique à 60 °C pendant quelques heures.

"Cette découverte montre que même les dispositifs au graphène bon marché et flexibles peuvent toujours avoir une mobilité élevée sans compromis", déclare Munis Khan. "Notre article propose une méthode simple pour fabriquer des dispositifs de graphène bon marché sur des substrats flexibles avec une mobilité élevée des porteurs, probablement limitée uniquement par le processus CVD et la pureté du cuivre."

Le graphène CVD transféré sur EVA/PET est intensément exploré et étudié pour l'électronique flexible et extensible, en particulier dans les systèmes conformes à la forme tels que les appareils portables de récupération d'énergie, la peau électronique et les appareils électroniques portables, qui nécessitent une flexibilité et une extensibilité élevées. Les semi-conducteurs conventionnels n'ont pas les propriétés mécaniques supérieures que possède le graphène, ce qui les rend inadaptés à de telles applications. Des films de graphène flexibles hautement conducteurs possédant une mobilité élevée des porteurs sont souvent nécessaires.

"Notre observation augmentera en effet la portée de ces films de graphène flexibles dans ce domaine. Cela pourrait également inaugurer la nouvelle ère de l'électronique flexible. Les applications nécessitant des films minces hautement conducteurs peuvent désormais être réalisées par une méthode simple et abordable, comme proposé dans notre article. En effet, dans notre groupe de recherche, nous avons l'intention d'utiliser ces films de graphène pour fabriquer des biocapteurs extrêmement sensibles, des détecteurs térahertz et des dispositifs à haute fréquence, des applications qui nécessitent également une grande mobilité des porteurs.Le défi sera d'intégrer des techniques de microfabrication pour fabriquer des dispositifs sur des substrats flexibles. ces problèmes sont résolus, probablement d'ici 2 à 3 ans, nous pourrons commencer à utiliser ces films de graphène pour fabriquer des dispositifs à usage industriel », déclare Munis Khan.

À propos de la découverte

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène sur des feuilles de cuivre (Cu) commerciales offre une voie évolutive vers un graphène monocouche de haute qualité. La méthode CVD est basée sur des réactifs gazeux qui sont déposés sur un substrat. Le graphène est développé sur une surface métallique comme Cu, Pt ou Ir, après quoi il peut être séparé du métal et transféré sur des substrats spécifiquement requis. Le processus peut être expliqué simplement comme des gaz contenant du carbone qui réagissent à des températures élevées (900-1100  degrés Celsius) en présence d'un catalyseur métallique, qui sert à la fois de catalyseur pour la décomposition des espèces de carbone et de surface pour le nucléation du réseau de graphène.

Les chercheurs ont découvert que le graphène CVD, une fois transféré du cuivre à l'EVA/PET (sachet de laminage ordinaire) par laminage à chaud, présentait initialement une faible mobilité des porteurs dans une plage de 500 à 1 000 cm ² /(Contre). Mais, une fois que ces films ont été maintenus à 60 C pendant plusieurs heures dans un flux constant d'azote, la mobilité a été multipliée par huit et a atteint 6 000 à 8 000 cm ² /(V s) à température ambiante.

La recherche a été publiée dans Nanomaterials . + Explorer plus loin

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