L'irrégularité des propriétés électroniques du graphène
Publié par Adrien le 25/06/2012 à 00:00
Source: BE Espagne numéro 116 (15/06/2012) - Ambassade de France en Espagne / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/ ... /70304.htm
Illustration: Carbophiliac
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 (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.).

Le matériau des merveilles

Le graphène est une couche monoatomique 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...) 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.) organisés sur un motif hexagonal, façon nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir leurs œufs et fournir un premier abri à leur progéniture. Les nids sont...) 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 (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des figures scientifiques...) en 2010, est considéré aujourd'hui comme un des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) les plus prometteurs. Cette réputation vient des propriétés singulières du graphène en termes de résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou...) et de conduction électrique liées à ses dimensions (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, ou bien son diamètre si c'est une pièce...), notamment son épaisseur monoatomique. Le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.). Mais, à l'échelle atomique, la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) - typiquement macroscopique - entre le graphène conducteur et l'oxyde de silicium isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les...) n'est pas aussi nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien...). Les interactions entre les atomes des deux matériaux à la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") 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.


Représentation du graphène

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 (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement interspécifique)...) mêlant les deux types de microscope utilisés à l'échelle atomique: un microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de physique pour cette invention en 1986. C'est un microscope en...) et un microscope à force atomique (Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un dérivé du microscope à effet tunnel (ou Scanning Tunneling Microscope, STM), qui peut servir à visualiser la topologie de la surface d'un...). 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 (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) 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 (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur...) 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 (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.) 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 (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon ceux-ci.) 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.
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