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Posté par Redbran le Mardi 21/03/2017 à 00:00
Des composants électroniques en germanène: une réalité

© The journal of physical chemistry letters - ACS Nano
Des physiciens de l'Institut des matériaux, de microélectronique et des nanosciences (IM2NP, CNRS/Univ. Aix Marseille/Univ. Toulon) et du Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (LPICM, CNRS/X) 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...) d'une collaboration internationale ont démontré qu'il était possible de garder intact les propriétés électroniques du germanène, cousin du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.), en effectuant la croissance du germanène sur du graphite. Il est maintenant possible d'envisager la fabrication de composants électroniques fonctionnels à base de germanène.

Les propriétés physiques du graphène, un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise en...) 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 une autre. Il est...) 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.), sont exceptionnelles à de nombreux points de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.): il est solide, léger, transparent, très bon conducteur de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) et de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes électriques...), ... Toutefois, sa structure électronique ne se prête pas à la réalisation de composants pour la microélectronique. Pour cette raison, les chercheurs se tournent vers le germanène, un matériau constitué d'atomes de germanium organisés selon la même stucture que le graphène, qui partage les mêmes avantages et qui, en outre, a une stucture électronique appropriée pour les applications et compatible avec une proportion importante des composants actuels composés eux aussi de germanium. Une des principales difficultés est de synthétiser de manière efficace des feuilles de germanène.

Pour la première fois, des chercheurs du laboratoire de l'IM2NP de Marseille et du LPICM d'Orsay au sein d'une collaboration internationale ont fabriqué des feuilles bi-dimensionnelles et planes de germanène sans interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) forte avec le substrat, en déposant une couche mono-atomique de germanium sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) clivée de graphite.

Le silicène et le germanène ont des propriétés remarquables identiques à celles du graphène. De plus, ils disposent d'une bande interdite non nulle (contrairement au graphène) qui permet d'envisager la conception de composants de microélectronique à base de ces couches. Ils sont parfaitement compatibles avec la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) CMOS de l'industrie micro-électronique (La micro-électronique est une spécialité du domaine de l'électronique.). Ils sont plus flexibles que le graphène en raison de l'absence des liaisons Pi renforçant la planéité des couches. Enfin leur plus large corrugation de surface ainsi que le couplage spin-orbite qu'ils présentent permet de développer une ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) de bande interdite, sans dégrader leurs propriétés électroniques. Pour toutes ces propriétés, leur fabrication est un enjeu crucial que les physiciens viennent de relever. Ils ont fabriqué des feuilles bi-dimensionnelles et planes de germanium avec une structure 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 qui correspond à celle du germanène. Pour ce faire, ils ont déposé une couche mono-atomique de germanium sur une surface clivée de graphite. Ils ont ensuite montré par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à l'œil nu, soit...) à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la fonction d'onde d'une particule,...) que les ilots bi-dimensionnels de germanène n'ont pas de reconstruction de surface et présentent une faible corrugation prouvant l'absence de formation d'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) et d'hybridation avec le substrat, contrairement à ce qui a été observé sur les substrats métalliques. Enfin, les calculs basés sur la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) de la 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 référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a...) montrent l'apparition du cône de Dirac lorsque les feuilles de germanène sont supportées par du graphite. Des résultats similaires, en parfait accord avec les résultats expérimentaux, ont été obtenus avec des feuilles de silicène sur du graphite.


A gauche, deux images des couches bi-dimensionnelles de silicène et de germanène sur du graphite enregistrées avec un microscope à effet tunnel. Au milieu et à droite, structures atomiques et électroniques de silicène et de germanène sur du graphite, basées sur les calculs de DFT. © The journal of physical chemistry letters - ACS Nano

Ce résultat permet d'envisager aujourd'hui la croissance de germanène sur des feuilles de graphène de grande 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...) et de mettre à profit la facilité de transférer le graphène. Il offre ainsi une opportunité exceptionnelle de fabriquer des composants électroniques fonctionnels à base de germanène.

Pour plus d'information voir:
van der Waals Heteroepitaxy of Germanene Islands on Graphite
Luca Persichetti, Fatme Jardali, Holger Vach, Anna Sgarlata, Isabelle Berbezier, Maurizio De Crescenzi et Adalberto Balzarotti
The journal of physical chemistry letters (2016), doi:10.1021/acs.jpclett.6b01284

- Retrouvez l'article sur la base d'archives ouvertes Hal

Contacts chercheurs:
Isabelle Berbezier, directrice de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)
Holger Vach, directeur de recherche CNRS

Informations complémentaires:
Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), de microélectronique et des nanosciences (IM2NP, CNRS/Univ. Aix (AIX est le système d'exploitation de type UNIX d'IBM. AIX est l'acronyme de Advanced Interactive eXecutive, mais seul l'acronyme est utilisé.) Marseille/Univ. Toulon)
Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de...) des interfaces et des couches minces (LPICM, CNRS/X)

Contacts INP:
Jean-Michel Courty,
Marie Signoret,
Marine Charlet-Lambert

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Source: CNRS-INP