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Posté par Michel le Vendredi 07/02/2014 à 00:00
Des rubans de graphène hautement conducteurs à température ambiante
Des rubans de graphène où les électrons se déplacent librement, telle est la prouesse réalisée par une équipe internationale comprenant des chercheurs du CNRS, de l'Université de Lorraine et du synchrotron SOLEIL en France (1), du Georgia Institute of Technology et du Oak Ridge National Laboratory aux Etats-Unis, de l'Université Leibniz en Allemagne. Après avoir imaginé une façon nouvelle et originale de synthétiser ces rubans, les scientifiques ont mis en évidence leur conductivité électrique exceptionnelle à température ambiante. Ces nanorubans ouvrent des perspectives prometteuses pour l'électronique de pointe. Ces travaux sont publiés le 5 février 2014 sur le site de la revue Nature.


Schéma de principe d'un circuit comprenant des rubans de graphène interconnectés (atomes en noir) fabriqués par croissance sélective sur des marches gravées dans un monocristal de carbure de silicium (atomes en jaune). Les électrons (en bleu) ont une trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) balistique (La balistique est la science qui a pour objet l'étude du mouvement des projectiles.) le long des rubans, puis se déplacent d'un ruban à l'autre par les contacts métalliques. Le courant est modulé par des grilles électrostatiques.
© John Hankinson, Georgia Institute of Technology.

Le graphène est un matériau constitué d'une seule couche 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...) 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.) au potentiel exceptionnel. En effet, une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des nœuds. À l'aisselle de la feuille...) de graphène s'avère près d'un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un...) de fois plus fine qu'un cheveu, plus résistante à la rupture que l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction...), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en étant très légère. Physiquement, elle se présente sous la forme alvéolée d'un treillis en nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir leurs œufs et fournir un premier abri à leur...) d'abeille. En empilant des feuilles de graphène, on obtient le graphite (le matériau gris constituant les mines de crayons). Le graphène est en outre doté d'une très bonne conductivité électrique: les électrons s'y déplacent jusqu'à 200 fois plus vite à température ambiante que dans le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.). Son énorme potentiel en électronique explique pourquoi il est étudié sous toutes les coutures.

Une collaboration de physiciens franco-américains s'intéresse depuis le début des années 2000 à ses propriétés électroniques. Leur principal objectif est de concevoir un matériau de très grande mobilité électronique à température ambiante. Les chercheurs ont démontré il y a quelques années que les nanotubes de carbone, l'une des formes de graphène les plus connues, peut transporter le courant électrique de manière balistique, c'est-à-dire sans atténuation 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...) du matériau. Mais les nanotubes de carbone s'avèrent complexes à fabriquer et à insérer en très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) sur une puce électronique. C'est pourquoi les chercheurs se sont tournés vers une autre forme de graphène: des rubans « plats ». Les similitudes de structure électronique entre nanotubes de carbone et rubans de graphène laissaient présager des propriétés de conduction analogues.

Les chercheurs ont choisi de synthétiser ce graphène à une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur,...) à partir d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout solide dont...) facilement disponible dans le commerce, le carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique autre que l’oxygène. Ils présentent...) de silicium. Grâce à un procédé ingénieux, ils ont réussi à obtenir des rubans de graphène d'une très grande qualité structurale, formés d'un « feuillet » de carbone très étroit, de 40 nm de large. La prouesse a été de conserver des bords de ruban très organisés. Il s'agit d'un élément primordial car un ruban de graphène aux bords rugueux ne permet pas une bonne propagation électronique. Pour avoir des rubans réguliers même au bord, l'astuce a été de creuser des tranchées de profondeur nanométrique dans le carbure de silicium puis de fabriquer directement les rubans de graphène à partir des plans verticaux de ces tranchées.

Pour les scientifiques, le résultat a été au-delà de leur espérance. En effet, quand ils ont caractérisé les rubans de graphène ainsi conçus, ceux-ci se sont révélés conducteurs balistiques à température ambiante: une fois dans le matériau, les électrons s'y déplacent de manière libre sans subir de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.). Les rubans se comportent donc comme des « guides d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) ». La mobilité des charges dans ces matériaux atteint plus de un million de cm2/V.s. Leur mobilité électrique serait ainsi 1000 fois plus importante que celle des semi-conducteurs en silicium (mobilité inférieure à 1700 cm2/V.s) utilisés notamment dans les processeurs et mémoires d'ordinateurs. Il s'agit des premiers rubans de graphène dotés d'une telle conductivité à température ambiante.

Autre spécificité: ces rubans peuvent être produits facilement et en grande quantité tout en conservant les mêmes propriétés. Ce qui rend leur utilisation à grande échelle possible. De par leur exceptionnelle conductivité électronique à température ambiante, ces nouveaux rubans de graphène pourraient permettre de nombreuses applications en nanoélectronique de pointe.


Notes:

(1) Ces travaux concernent les laboratoires français suivants: l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute...) Néel (CNRS) ainsi que l'Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine) et le synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) pour la caractérisation des rubans de graphène.


Référence:

Exceptional ballistic transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de déplacements...) in epitaxial grapheme nanoribbons. Jens Baringhaus, Ming Ruan, Frederik Edler, Antonio Tejeda, Muriel Sicot, AminaTaleb?Ibrahimi, An-Pin Li, Zhigang Jiang, Edward Conrad, Claire Berger (Un berger (une bergère) est une personne chargée de guider et de prendre soin des troupeaux de moutons (quand il n'y a pas de complément de nom, il s'agit toujours de...), Christoph Tegenkamp, Walt A. de Heer. Nature. Publié en ligne le 5 février 2014.
DOI: 10.1038/nature12952


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Source: CNRS
 
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