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Avancée dans la recherche d’électronique à base de graphène

Pendant 15 ans, les scientifiques ont essayé d’exploiter le graphène “matériau miracle” pour produire une électronique à l’échelle nanométrique. Sur le papier, le graphène devrait être bon pour cela: il est ultra-mince – un seul atome en fait et donc en deux dimensions, il est excellent pour conduire le courant électrique et devrait être idéal pour les futures formes d’électronique plus rapides et plus efficaces. plus économe en énergie. De plus, le graphène est constitué d’atomes de carbone – dont nous disposons de manière illimitée.

En théorie, le graphène peut être modifié pour effectuer de nombreuses tâches différentes au sein, par exemple, de l’électronique, de la photonique ou des capteurs, simplement en dessinant de minuscules motifs, car ceci altère fondamentalement ses propriétés quantiques. Une tâche “simple”, qui s’est révélée étonnamment difficile, consiste à créer une bande interdite – essentielle pour la fabrication de transistors et de dispositifs optoélectroniques. Cependant, comme le graphène n’est qu’un atome, tous les atomes sont importants et même de très petites irrégularités peuvent en détruire les propriétés.

“Le graphène est un matériau fantastique qui, à mon avis, jouera un rôle crucial dans la fabrication de nouvelles électroniques à l’échelle nanométrique. Le problème est qu’il est extrêmement difficile de définir les propriétés électriques”, déclare Peter Bøggild, professeur à la DTU Physics.

Le Centre pour le graphène nanostructuré du DTU et de l’Université d’Aalborg a été créé en 2012 dans le but spécifique d’explorer les propriétés du graphène, par exemple en réalisant un motif très fin de trous. Cela devrait changer subtilement la nature quantique des électrons dans le matériau et permettre aux propriétés du graphène d’être adaptées. Cependant, l’équipe de chercheurs de DTU et d’Aalborg a connu la même chose que beaucoup d’autres chercheurs du monde entier: cela n’a pas fonctionné.

“Lorsque vous créez des motifs dans un matériau tel que le graphène, vous le faites afin de modifier ses propriétés de manière contrôlée – afin de l’adapter à votre conception. Cependant, nous avons constaté au fil des années que nous pouvons percer des trous, mais non sans créer autant de désordre et de contamination qu’il ne se comporte plus comme du graphène. C’est un peu comme faire une conduite d’eau, avec un faible débit en raison de la fabrication grossière. À l’extérieur, cela peut paraître beau. Pour l’électronique, c’est évidemment désastreux “, déclare Peter Bøggild.

Maintenant, l’équipe de scientifiques a résolu le problème. Deux post-doctorants de DTU Physics, Bjarke Jessen et Lene Gammelgaard, ont été les premiers à incorporer du graphène dans un autre matériau bidimensionnel: le nitrure de bore hexagonal, un matériau non conducteur souvent utilisé pour protéger les propriétés du graphène.

Ensuite, ils ont utilisé une technique appelée lithographie par faisceau d’électrons pour structurer soigneusement la couche protectrice de nitrure de bore et de graphène ci-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 à un milliardième de mètre. Cela permet à 1000 fois plus de courant électrique de circuler que ce qui avait été rapporté dans de telles petites structures de graphène.

“Nous avons montré que nous pouvions contrôler la structure de la bande de graphène et concevoir son comportement. Lorsque nous contrôlons la structure de la bande, nous avons accès à toutes les propriétés de graphène – et nous avons été surpris de constater que certains des effets électroniques quantiques les plus subtils survivre à la structure dense – ce qui est extrêmement encourageant. Nos travaux suggèrent que nous pouvons nous asseoir devant l’ordinateur et concevoir des composants et des dispositifs – ou imaginer quelque chose de complètement nouveau – puis aller au laboratoire et les réaliser dans la pratique, “dit Peter Bøggild. Il continue:

“De nombreux scientifiques avaient depuis longtemps renoncé à la nanolithographie dans le graphène à cette échelle, et il est regrettable que la nanostructuration soit un outil essentiel pour exploiter les fonctionnalités les plus intéressantes de l’électronique et de la photonique du graphène. Nous avons maintenant compris comment procéder. On pourrait dire que la malédiction est levée. Il existe d’autres défis, mais le fait que nous puissions adapter les propriétés électroniques du graphène est un grand pas en avant dans la création d’une nouvelle électronique de très petites dimensions “, a déclaré Peter Bøggild.

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