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Le graphène, plus que jamais "matériau des merveilles"

Le graphène, plus que jamais "matériau des merveilles"

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/64637.htm

BE Etats-Unis 221  >>  1/10/2010

 


Sciences physiques et nanotechnologies

 

Le graphène vient une nouvelle fois de justifier son appellation de "wonder material" [1,2]. Une découverte fortuite à l'University of California - Berkeley pourrait en effet conduire à l'émergence d'un domaine déjà baptisé "straintronics". Pendant ce temps, à la Rice University, les chercheurs étudient un matériau connu sous le nom de "graphène blanc". Ces deux avancées pointent dans la même direction : l'utilisation du graphène comme matériau de base pour remplacer le silicium dans l'électronique de demain.

La straintronics, un nouveau domaine de l'électronique

Les chercheurs de l'équipe de Michael Crommie à UC Berkeley et Lawrence Berkeley National Laboratory font croître des feuillets de graphène sur des substrats de platine à haute température. Le graphène et le platine n'ont pas la même structure cristalline et le platine a tendance à se contracter plus que le graphène en refroidissant. Les contraintes occasionnées produisent alors des plis dans la couche de graphène entraînant l'apparition de "nanobulles" de quelques nanomètres de diamètre et de 2 nm de hauteur.

En analysant les propriétés de ces nanobulles de graphène, les chercheurs se sont rendu compte que les électrons y étaient confinés comme s'ils étaient soumis à un champ magnétique intense, inaccessible expérimentalement avec les techniques actuelles. Ces propriétés sont dues à la déformation de la structure hexagonale du graphène imposée par les contraintes - "strain" en anglais - appliquées sur le feuillet [3]. Cet effet des contraintes, appelé pseudo-effet quantique Hall, avait été envisagé il y a moins d'un an de manière théorique par un groupe de chercheur dont faisait partie Andre Geim, le premier chercheur à avoir isolé le graphène en 2004. L'observation du phénomène vient même dépasser les attentes des théoriciens.

La structure du graphène permet aux électrons de se mouvoir rapidement ce qui en fait un matériau intéressant pour les applications en électronique. Cependant, il faut aussi être capable de contrôler ces déplacements si l'on veut pouvoir créer des composants à base de graphène. Les nanobulles découvertes offrent cette possibilité. La "straintronics" a donc pour objectif de comprendre les liens entre les contraintes appliquées au feuillet de graphène et les propriétés électroniques des structures de nanobulles qui en résultent (localisation des électrons, niveaux d'énergie discrets sur lesquels ils se positionnent). Par ailleurs, ces structures permettent d'étudier le comportement d'électron soumis à des champs magnétiques intenses.

Le graphène blanc

Des chercheurs de la Rice University ont fait des progrès dans la production des feuillets de nitrure de bore hexagonal (h-BN). Ils sont parvenus à synthétiser de larges feuillets transposables d'un substrat à un autre, permettant de les manipuler facilement [4]. Le h-BN possède la même structure cristalline que le graphène avec comme particularité supplémentaire d'avoir un paramètre de maille quasiment identique (figure 1). La différence principale entre les deux tient dans le fait que le h-BN est un très bon isolant alors que le graphène est un excellent conducteur.

Illustration 1 disponible sur le web à l'url :
http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/64637.htm

La maitrise de la fabrication de feuillets de h-BN peut conduire au développement de l'électronique à base de graphène. Pour fabriquer des composants électroniques, il est nécessaire de bénéficier de matériaux conducteur mais aussi de matériaux isolants. Les feuillets de h-BN sont alors les parfaits candidats pour complémenter les feuillets de graphène. Les chercheurs de l'équipe du Prof. Ajayan avaient déjà montré il y a quelques mois que l'on pouvait fabriquer des feuillets mixtes, en incluant des ilots de h-BN dans une couche de graphène [5]. En fonction de la quantité de nitrure de bore inclus, de la taille des ilots et de leur répartition dans le graphène il est possible de faire varier les propriétés électroniques du feuillet de conducteur à isolant en passant par des états semi-conducteurs. Cependant, la maîtrise de ces paramètres lors de la synthèse des feuillets mixtes n'est pas encore d'actualité.

Illustration 2 disponible sur le web à l'url :
http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/64637.htm

"Le h-BN peut permettre d'ouvrir la voie vers la fabrication de transistors à base de graphène. Ou encore, en empilant des couches graphène/h-BN, il est sans doute possible de fabriquer des nano-condensateurs", explique le Prof. Ajayan. L'ensemble des composés naissant du mélange du bore, le l'azote et du carbone peuvent présenter des propriétés électroniques intéressantes. Et peu de possibilités ont été explorées pour le moment.

Le nitrure de bore hexagonal possède la même structure cristalline que le graphite : un empilement de feuillets constitués de cellules hexagonales. Sa couleur, par contre, est différente et c'est ce qui lui doit son surnom de graphite blanc. Par analogie avec le matériau massif, mais bien qu'ils soient trop fins pour présenter de quelconques propriétés optiques à eux seuls, les chercheurs ont baptisé "graphène blanc" les feuillets de nitrure de bore hexagonal isolés.

L'électronique du futur

L'isolement du graphène en 2004 a fait naître de grands espoirs dans le domaine de l'électronique. Les techniques de lithogravure sur silicium atteignent leurs limites physiques et il ne sera bientôt plus possible de réduire la taille des transistors fabriqués avec cette technique.

Les travaux présentés ici contribuent à la recherche de matériaux alternatifs permettant de miniaturiser encore les composants électroniques, par l'utilisation du "matériau des merveilles" de ce début de XXIe siècle : le graphène. La route est encore longue avant le développement industriel de circuits à base de graphène, les travaux étant pour le moment exploratoires dans les laboratoires de recherche. Mais la pression et les investissements dans ce domaine et autour du graphène sont tellement conséquents que les avancées pourraient se voir grandement accélérées.

Pour en savoir plus, contacts :

- [1] Des nouveaux exemples du leadership de la Rice University en science des matériaux et nanotechnologies, BE Etats-Unis 210, V. Reillon, 07/06/2010 - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/63613.htm
- [2] Le graphène renforce son statut de matériau star, BE Etats-Unis 212, V. Reillon, 18/06/2010 - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/63719.htm
- [3] N. Levy et al., Science, Vol. 329. no. 5991, pp. 544 - 547, DOI: 10.1126/science.1191700, 30/07/2010 - http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/329/5991/544
- [4] L. Song et al., Nano Lett., Article ASAP, DOI: 10.1021/nl1022139, 22/07/2010 -
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl1022139
- [5] L. Ci et al., Nature Materials 9, 430 - 435, doi:10.1038/nmat2711, 28/02/2010 - http://www.nature.com/nmat/journal/v9/n5/full/nmat2711.html

Source :

- Graphene exhibits bizarre new behavior well-suited to electronic devices, UC Berkeley News, R. Sanders, 29/07/2010 - http://www.berkeley.edu/news/media/releases/2010/07/29_graphene.shtml
- "White Graphene" to the rescue, Rice News, M. Williams, 29/07/2010 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/7KMfO
- Rice researchers make graphene hybrid, Rice News, M. Williams, 03/03/2010 - http://www.media.rice.edu/media/NewsBot.asp?MODE=VIEW&ID=13838
http://redirectix.bulletins-electroniques.com/9jdfQ

Rédacteur :

Vincent Reillon, deputy-phys.mst@consulfrance-houston.org
 

Origine : BE Etats-Unis numéro 221 (1/10/2010) - Ambassade de France aux Etats-Unis / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/64637.htm



01/10/2010

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