Le semi-conducteur à base de graphène possède une bande interdite utile et une mobilité électronique élevée

Republié par Platon

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Épigraphène sur puce : le dispositif au graphène de l'équipe a été développé sur un substrat en carbure de silicium. (Avec l'aimable autorisation de l'Institut de technologie de Géorgie)

Des chercheurs chinois et américains ont créé un semi-conducteur fonctionnel à base de graphène, un exploit qu'ils décrivent comme une première. En développant les techniques de fabrication existantes, Walter de Heer et des collègues de l'Université de Tianjin et du Georgia Institute of Technology ont créé une bande interdite dans le matériau 2D, tout en conservant les propriétés robustes et facilement ajustables du graphène.

Le silicium est l’épine dorsale de l’électronique moderne à semi-conducteurs. Cependant, les dernières technologies basées sur le silicium sont poussées à leurs limites en raison de notre demande incessante de vitesses de calcul plus élevées, d'une consommation d'énergie réduite et d'appareils plus compacts.

Depuis maintenant deux décennies, les chercheurs explorent la possibilité que le graphène puisse constituer une alternative pratique au silicium. Isolé pour la première fois en 2004, le graphène est une feuille de carbone d’un seul atome d’épaisseur. Depuis, les chercheurs ont découvert que le graphène possède un certain nombre de propriétés qui pourraient le rendre très utile pour les appareils électroniques. Ceux-ci incluent une mobilité électronique élevée ; une structure solide, légère et très compacte ; et une excellente dissipation thermique.

Un inconvénient majeur

Cependant, le graphène présente un inconvénient majeur. Contrairement aux semi-conducteurs conventionnels, le graphène n’a pas de bande interdite intrinsèque pour les électrons. Il s’agit d’une barrière énergétique que les électrons doivent surmonter pour conduire l’électricité. C'est la bande interdite qui permet de réaliser des commutateurs électroniques (transistors) à partir de semi-conducteurs.

"Un problème de longue date dans l'électronique du graphène est que le graphène n'avait pas la bonne bande interdite et ne pouvait pas s'allumer et s'éteindre au bon rapport", explique le co-auteur Lei Ma, co-fondateur de l'étude. Centre international de Tianjin pour les nanoparticules et les nanosystèmes avec de Heer. « Au fil des années, nombreux sont ceux qui ont essayé de résoudre ce problème en utilisant diverses méthodes. »

Des études antérieures ont tenté de créer des bandes interdites appropriées en utilisant des techniques telles que le confinement quantique et la modification chimique du graphène pur. Toutefois, jusqu’à présent, ces approches n’ont donné que très peu de succès.

«Nous avons dû apprendre à traiter le [graphène], à le rendre de mieux en mieux et enfin à mesurer ses propriétés», explique de Heer. "Cela a pris très, très longtemps."

Croissance spontanée

Dans leurs dernières recherches, les chercheurs ont montré pour la première fois comment l’épigraphène, un semi-conducteur à bande interdite, peut se développer spontanément à la surface des cristaux de carbure de silicium.

Des recherches antérieures avaient révélé qu’à haute température, le silicium se sublime à la surface de ces cristaux, laissant derrière lui des couches riches en carbone. Ces couches recristallisent en épigraphène multicouche, qui possède des propriétés semi-conductrices limitées.

En développant cette technique, l'équipe de de Heer et Ma ont développé une nouvelle méthode de recuit, dans laquelle ils ont soigneusement contrôlé la température de l'échantillon et le taux de formation de l'épigraphène. Ils ont créé une couche de graphène robuste qui pousse en terrasses macroscopiques et atomiquement plates. De plus, les atomes de graphène sont alignés avec le réseau du substrat en carbure de silicium.

Bande interdite utile

En effectuant des mesures minutieuses, l’équipe a montré que cette couche est un excellent semi-conducteur 2D. Il possède une bande interdite utile qui échappe aux chercheurs depuis des décennies, ainsi qu’une mobilité électronique élevée.

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"Nous disposons désormais d'un semi-conducteur en graphène extrêmement robuste, doté d'une mobilité 10 fois supérieure à celle du silicium et qui possède également des propriétés uniques non disponibles dans le silicium", s'enthousiasme de Heer. Il compare la mobilité des électrons dans le silicium à la conduite sur une route de gravier, alors que l'épigraphène est comme une autoroute électronique. "C'est plus efficace, ça chauffe moins et cela permet des vitesses plus élevées afin que les électrons puissent se déplacer plus rapidement", explique de Heer.

En plus de ces performances, l’équipe a également montré que leur épigraphène pouvait être dopé avec un large éventail d’atomes et de molécules pour affiner ses propriétés électroniques et magnétiques. Le matériau peut également être nanostructuré pour améliorer encore ses performances – le nanostructuration est très difficile à réaliser avec du graphène cultivé sur d’autres substrats.

De Heer, Ma et leurs collègues espèrent que leur technique pourrait ouvrir la voie à une approche entièrement nouvelle de la fabrication de semi-conducteurs et pourrait, à terme, constituer une première étape cruciale vers une nouvelle génération d'électronique à base de graphène.

La recherche est décrite dans Nature.