L'irrégularité des propriétés électroniques du graphène

Un groupe de chercheurs de l'Université Autonome de Madrid (UAM) ont mis en avant la présence d'irrégularités dans les propriétés électroniques du graphène. Celles-ci sont dues à l'interaction entre la feuille de graphène et le substrat qui la supporte. Une bonne compréhension de ces irrégularités est nécessaire pour optimiser l'utilisation des propriétés du graphène.

Le matériau des merveilles

Le graphène est une couche monoatomique d'atomes de carbone organisés sur un motif hexagonal, façon nid d'abeille. Ce matériau, isolé pour la première fois en 2004 par Andre Geim and Konstantin Novoselov, qui reçurent pour cela le Prix Nobel de Physique en 2010, est considéré aujourd'hui comme un des matériaux les plus prometteurs. Cette réputation vient des propriétés singulières du graphène en termes de résistance mécanique et de conduction électrique liées à ses dimensions, notamment son épaisseur monoatomique. Le tout composé de carbone, très abondant et donc peu cher, bien que la production de graphène en grande quantités suppose encore actuellement un coût élevé. L'utilisation du graphène est ainsi envisagée dans de nombreuses applications en micro- et nanoélectronique.

Beaucoup de travaux se concentrent aujourd'hui sur l'étude plus approfondie des propriétés électroniques de ce matériau afin de définir toutes ses potentialités. Pour être utilisées, les feuilles de graphène sont déposées sur des substrats isolants, généralement de l'oxyde de silicium. Mais, à l'échelle atomique, la séparation - typiquement macroscopique - entre le graphène conducteur et l'oxyde de silicium isolant n'est pas aussi nette. Les interactions entre les atomes des deux matériaux à la jonction entraînent des modifications locales des propriétés électroniques de chacun d'entre eux, notamment dues à la présence de charges électriques piégés dans le substrat isolant. C'est ce que l'étude des chercheurs de l'UAM vient mettre en évidence.

Un montage expérimental nouveau pour obtenir les résultats

Pour pouvoir mesurer les propriétés électroniques locales du graphène, les chercheurs ont tout d'abord réalisé un microscope hybride mêlant les deux types de microscope utilisés à l'échelle atomique: un microscope à effet tunnel et un microscope à force atomique. Avec ce nouvel instrument, ils ont analysé les propriétés électroniques de couches de graphène déposées sur différentes surfaces isolantes ou conductrices.

Leur étude met en évidence le fait que les charges piégées au sein du substrat isolant viennent modifier localement et de manière irrégulière les propriétés électroniques de la couche de graphène. L'effet d'une charge isolée se fait sentir dans un rayon de 5 nanomètres, alors que l'épaisseur d'une couche de graphène est de 0,5 nanomètres et que la distance entre les atomes de carbone dans la couche est de 0,142 nanomètres. Ces charges piégées étant distantes en moyenne de 20 nanomètres les unes des autres dans le substrat, les chercheurs ont estimé que près du tiers de la couche de graphène voit ses propriétés électroniques fortement perturbées par l'interaction avec le substrat.

Une meilleure compréhension de ces perturbations est nécessaire pour que les chercheurs puissent tirer tout le potentiel de ce nouveau matériau. Si pour le moment, elles constituent plutôt un obstacle à l'utilisation du graphène, la maîtrise de ces perturbations pourrait aussi permettre de contrôler les propriétés électroniques de cette couche de carbone en définissant avec précision le substrat sur lequel elle repose. Le désavantage initial pourrait ainsi se convertir en source de nouvelles innovations.