Des nano-rubans de graphène obtenus avec une précision atomique

Le graphène, par ses caractéristiques remarquables (conductivité électronique exceptionnelle, propriétés mécaniques remarquables, résistance chimique...), est présenté comme une alternative possible au silicium pour la conception de circuits électroniques aux propriétés nouvelles. Le graphène est cependant semi-métal: sa structure électronique de bandes ne présentant pas de gap, une simple feuille de graphène ne peut être utilisée pour la fabrication de transistors. Néanmoins, sous la forme de bandes étroites de largeur inférieure à 10 nm environ, le confinement quantique ainsi que les effets de bords créent une bande interdite dans la structure électronique du matériau. Plusieurs méthodes de natures différentes ont été développées en ce sens pour la production de ces ''nano-rubans'': chimique, sonochimique, lithographique, ouverture de nanotubes de carbone. La précision de ces méthodes n'étant pas atomique, la largeur ainsi que la forme des bords des nano-rubans ainsi produits sont dispersées. Les caractéristiques électroniques varient donc d'un nano-ruban à un autre.


Une nouvelle méthode de production, développée par l'équipe nanotech@surfaces du Laboratoire fédéral suisse d'essais des matériaux et de recherche (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa), permet d'obtenir de façon reproductible des nano-rubans de graphène avec une précision atomique.

Sur une surface métallique atomiquement plane (surface d'or ou d'argent), des molécules précurseurs constituées de plusieurs cycles aromatiques et comportant au moins deux atomes halogènes (brome ou iode) sont déposées sous vide. Un premier chauffage a température modérée (200 °C environ) mène à la perte des atomes halogénés (déhalogénation) et à la formation de radicaux qui polymérisent entre eux et forment ainsi des polyphénylènes linéaires. Un second chauffage à température plus élevée (400 °C) provoque la perte d'atomes d'hydrogène aromatiques (cyclodéhydrogénation) et la formation de nano-rubans de graphène dont la longueur peut atteindre 50 nm. La topologie, la largeur et la forme des bords des rubans sont définies avec une précision atomique par la structure des monomères précurseurs.

La prochaine étape de ces travaux, qui ont été publiés dans la revue britannique Nature, constituera notamment en la production de ces nano-rubans sur des surfaces semi-conductrices et à l'étude de leurs caractéristiques électroniques.