L'appareil sur lequel vous lisez actuellement cet article est né de la révolution du silicium. Pour construire des circuits électriques modernes, les chercheurs contrôlent les capacités de conduction du courant du silicium via le dopage, qui est un processus qui introduit soit des électrons chargés négativement, soit des "trous" chargés positivement là où se trouvaient les électrons. Cela permet de contrôler le flux d'électricité et, pour le silicium, d'injecter d'autres éléments atomiques capables d'ajuster les électrons, appelés dopants, dans son réseau atomique tridimensionnel (3D).

Cependant, le réseau 3D du silicium est trop grand pour l'électronique de nouvelle génération, qui comprend des transistors ultra-minces, de nouveaux dispositifs de communication optique et des biocapteurs flexibles qui peuvent être portés ou implantés dans le corps humain. Pour alléger les choses, les chercheurs expérimentent des matériaux pas plus épais qu'une seule feuille d'atomes, comme le graphène. Mais la méthode éprouvée de dopage du silicium 3D ne fonctionne pas avec le graphène 2D, qui consiste en une seule couche d'atomes de carbone qui ne conduit normalement pas de courant.

Plutôt que d'injecter des dopants, les chercheurs ont essayé de superposer une "couche de transfert de charge" destinée à ajouter ou à retirer des électrons du graphène. Cependant, les méthodes précédentes utilisaient des matériaux "sales" dans leurs couches de transfert de charge; les impuretés qu'ils contiennent laisseraient le graphène inégalement dopé et entraveraient sa capacité à conduire l'électricité.

Maintenant, une nouvelle étude dans Nature Electronics propose une meilleure méthode. Une équipe interdisciplinaire de chercheurs, dirigée par James Hone et James Teherani de l'Université Columbia, et Won Jong Yoo de l'Université Sungkyungkwan en Corée, décrit une technique propre pour doper le graphène via une couche de transfert de charge constituée d'oxyséléniure de tungstène à faible impureté (TOS) .

L'équipe a généré la nouvelle couche "propre" en oxydant une seule couche atomique d'un autre matériau 2D, le séléniure de tungstène. Lorsque le TOS a été superposé au graphène, ils ont constaté qu'il laissait le graphène criblé de trous conducteurs d'électricité. Ces trous pourraient être affinés pour mieux contrôler les propriétés conductrices de l'électricité des matériaux en ajoutant quelques couches atomiques de séléniure de tungstène entre le TOS et le graphène.

Les chercheurs ont découvert que la mobilité électrique du graphène, ou la facilité avec laquelle les charges s'y déplacent, était plus élevée avec leur nouvelle méthode de dopage que les tentatives précédentes. L'ajout d'espaceurs de séléniure de tungstène a encore augmenté la mobilité au point où l'effet du TOS devient négligeable, laissant la mobilité déterminée par les propriétés intrinsèques du graphène lui-même. Cette combinaison de dopage élevé et de mobilité élevée donne au graphène une conductivité électrique supérieure à celle des métaux hautement conducteurs comme le cuivre et l'or.

Au fur et à mesure que le graphène dopé conduisait mieux l'électricité, il devenait également plus transparent, ont déclaré les chercheurs. Cela est dû au blocage de Pauli, un phénomène où les charges manipulées par dopage empêchent le matériau d'absorber la lumière. Aux longueurs d'onde infrarouges utilisées dans les télécommunications, le graphène est devenu transparent à plus de 99 %. Atteindre un taux élevé de transparence et de conductivité est crucial pour déplacer l'information à travers des dispositifs photoniques à base de lumière. Si trop de lumière est absorbée, les informations sont perdues. L'équipe a trouvé une perte beaucoup plus faible pour le graphène dopé TOS que pour les autres conducteurs, ce qui suggère que cette méthode pourrait offrir un potentiel pour les dispositifs photoniques ultra-efficaces de nouvelle génération.

"Il s'agit d'une nouvelle façon d'adapter les propriétés du graphène à la demande", a déclaré Hone. "Nous venons de commencer à explorer les possibilités de cette nouvelle technique."

Une direction prometteuse consiste à modifier les propriétés électroniques et optiques du graphène en modifiant le motif du TOS et à imprimer des circuits électriques directement sur le graphène lui-même. L'équipe travaille également à intégrer le matériau dopé dans de nouveaux dispositifs photoniques, avec des applications potentielles dans l'électronique transparente, les systèmes de télécommunications et les ordinateurs quantiques. + Explorer plus loin

L'étirement modifie les propriétés électroniques du graphène