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Posté par Michel le Jeudi 15/03/2012 à 00:00
De nouveaux transistors flexibles à base de graphène
La réalisation de composants électroniques à base de graphène, matériau constitué d'un plan unique d'atomes de carbone, est aujourd'hui un défi technologique majeur. Les chercheurs espèrent, d'une part, bénéficier de la mobilité électronique exceptionnelle au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui...) de ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et, d'autre part, concevoir des composants électroniques flexibles à bas coût. Ainsi, des chercheurs du CEA (1), du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...) (2), de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) Lille 1 (2) et de l'Université de Northwestern (3) ont élaboré un nouveau procédé original de fabrication de transistors combinant flexibilité et mobilité électronique, capables de fonctionner à très haute fréquence (La bande des très haute fréquence (very high frequency/VHF) est la partie du spectre radioélectrique s'étendant de 30 MHz à 300 MHz, soit de 1 à 10 m de longueur d'onde.) (GHz) et utilisant du graphène manipulé "en solution", compatible avec des techniques d'impression. De tels composants électroniques devraient permettre le développement de circuits électroniques performants, intégrés dans les objets du quotidien. Ces résultats ont été publiés dans la revue Nano Letters du 14 mars 2012.

Le graphène, plan unique d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un noyau...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) à structure hexagonale, possède des propriétés exceptionnelles. En particulier, la grande mobilité des électrons dans ce matériau doit favoriser le fonctionnement à très haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) de composants électroniques réalisés en graphène. Par ailleurs, ses propriétés mécaniques en font un matériau flexible. Ces deux avantages pourraient être mis à profit dans la fabrication de composants et de circuits électroniques destinés à des secteurs variés: développement d'écrans souples, de transistors et de composants électroniques très performants et fabriqués à bas coût.


Solution de graphène monocouche utilisée pour la réalisation de transistors flexibles sur substrat de polyimide (feuille de polymère thermostable).
© CEA

Actuellement, plusieurs voies de synthèse du graphène existent. L'une d'elles permet de le produire sous la forme d'une solution de particules de quelques centaines de nanomètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.), stabilisées dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) par des tensioactifs (4). Pour obtenir cette "encre conductrice", la voie de synthèse utilisée permet de ne sélectionner que des feuillets monocouches qui assurent des propriétés électroniques remarquables (5) (et non un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les substances...) de graphène monocouche et multicouche). Autre spécificité: la production de composants peut s'effectuer sur des supports très variés tels que du verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2)...), du papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme un matériau de base...) ou encore un substrat organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.).

Des chercheurs du CEA, du CNRS, de l'Université Lille 1 et de l'Université de Northwestern ont, pour la première fois, élaboré un procédé original de fabrication de transistors flexibles à partir de graphène solubilisé, sur des substrats de polyimide (polymère thermostable). Ils ont ensuite étudié de manière approfondie leurs performances haute-fréquence.

Dans le procédé mis au point (Graphie), les feuillets de graphène en solution sont déposés sur le substrat sous l'effet d'un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée...) alternatif appliqué entre des électrodes préalablement fabriquées. Cette technique de diélectrophorèse (DEP) permet de diriger le dépôt du graphène et d'obtenir localement une forte densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) de feuillets déposés. Cette densité est cruciale pour obtenir d'excellentes performances à haute fréquence. Ainsi, la mobilité des charges dans les transistors réalisés est de l'ordre de 100 cm2/V.s, ce qui est très supérieur aux performances obtenues avec des molécules ou des polymères semi-conducteurs. Ces transistors atteignent donc des fréquences très élevées, de l'ordre de 8 GHz, jusqu'ici jamais obtenues en électronique organique !

Ces résultats montrent que le graphène préparé sous forme d' "encre conductrice" est un matériau particulièrement compétitif pour la réalisation de fonctions électroniques flexibles dans une gamme de hautes fréquences (GHz) totalement inaccessibles aux semi-conducteurs organiques classiquement utilisés. Cette nouvelle génération de transistors ouvre des possibilités importantes dans de nombreux domaines d'applications tels que les écrans souples (pliables ou enroulables), l'électronique intégrée dans des textiles ou des objets du quotidien tels que des étiquettes RFID (6) capables de traiter et de transmettre de l'information.


Notes:

(1) IRAMIS/DSM: Service de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) de l'Etat Condensé à la Direction des Sciences de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) du CEA.
(2) Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un...) d'électronique, de microélectronique, et de nanotechnologie (Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de...) (IEMN, CNRS /Université de Lille 1/ISEN/UVHC).
(3) Department of Materials Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large....) and Engineering and Department of Chemistry, Northwestern University, Evanston, Illinois, USA.
(4) Un tensioactif (Un tensioactif ou agent de surface est un composé qui modifie la tension superficielle entre deux surfaces. Les composés tensioactifs sont des molécules...) est un composé qui permet de solubiliser deux phases non miscibles.
(5) Solution phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) production of graphene with controlled thickness via density differentiation - A. A. Green, M.C. Hersam, Nano Letters 2009, 9, (12), 4031-4036.
(6) Radio Frequency IDentification (La radio-identification, venant de l’anglais radio frequency identification (usuellement abrégé RFID), est une méthode pour stocker et récupérer des données à distance en utilisant des marqueurs appelés...).


Référence:

Flexible Gigahertz Transistors Derived from Solution-Based Single-Layer Graphene. Cedric Sire, Florence (Florence (en italien Firenze) est une ville d'Italie, capitale de la région de Toscane et chef-lieu de province (370 051 habitants, les Florentins). Située au pied de...) Ardiaca, Sylvie Lepilliet, Jung-Woo T. Seo, Mark C. Hersam, Gilles Dambrine, Henri Happy, and Vincent Derycke, Nano Letters 2012, 12 (3), pp 1184–1188


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Source: CNRS