Les motifs de moiré se produisent partout. Ils sont créés en superposant deux motifs géométriques similaires mais non identiques. Un exemple courant est le motif qui apparaît parfois lors de la visualisation d’une clôture à mailles losangées à travers une deuxième clôture à mailles losangées.
Depuis plus de 10 ans, les scientifiques expérimentent le motif de moiré qui émerge lorsqu’une feuille de graphène est placée entre deux feuilles de nitrure de bore. Le motif moiré qui en résulte a montré des effets alléchants qui pourraient considérablement améliorer les puces semi-conductrices utilisées pour tout alimenter, des ordinateurs aux voitures.
Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université de Buffalo et publiée dans Communication Naturea démontré que le graphène peut tenir ses promesses dans ce contexte.
« Nos travaux récents montrent que ce sandwich particulier de graphène et de nitrure de bore suscite des propriétés qui conviennent à une utilisation dans de nouvelles applications technologiques », a déclaré Jonathan Bird, Ph.D., professeur et directeur du département de génie électrique à UB.
Le graphène est composé de carbone, tout comme le charbon de bois et les diamants. Ce qui distingue le graphène, c’est la façon dont les atomes de carbone sont assemblés : ils sont liés selon un motif hexagonal ou en nid d’abeille. Le matériau résultant est le matériau le plus fin connu, si fin que les scientifiques l’appellent bidimensionnel.
Laissé seul, le graphène conduit bien l’électricité – trop bien, en fait, pour être utile dans la technologie microélectronique. Mais en prenant en sandwich du graphène entre deux couches de nitrure de bore, qui a également un motif hexagonal, un motif moiré en résulte. La présence de ce motif s’accompagne de changements spectaculaires dans les propriétés du graphène, transformant essentiellement ce qui serait normalement un matériau conducteur en un matériau doté de propriétés (de type semi-conducteur) plus susceptibles d’être utilisées dans la microélectronique avancée.
Cette recherche établit comment le motif moiré du graphène peut être adapté pour être utilisé dans des applications technologiques telles que les nouveaux types d’appareils de communication, les lasers et les diodes électroluminescentes. « Nos travaux ont démontré la viabilité de cette approche, montrant que le sandwich graphène/nitrure de bore que nous étudions possède en effet les propriétés favorables nécessaires à la microélectronique », a déclaré Bird.
Les puces à semi-conducteurs en question sont essentielles non seulement dans les smartphones et les appareils médicaux, mais également dans les gadgets de la maison intelligente tels que les lave-vaisselle, les aspirateurs et les systèmes de sécurité domestique. « La technologie moderne repose sur les puces semi-conductrices qui forment le cœur de leurs systèmes et contrôlent leur fonctionnement », a déclaré Bird. « Lorsque vous parlez dans votre téléphone portable, c’est la puce qui convertit votre voix en un signal électronique et le transmet à une tour. »
L’hétérostructure graphène/nitrure de bore semble avoir des propriétés qui se prêtent à l’ingénierie. Le développement de technologies futures basées sur ces matériaux peut dépendre de la découverte et de l’exploitation de propriétés qui permettent une plus grande rapidité et fonctionnalité. Bird a noté qu’il y a généralement un décalage entre une découverte, l’excitation suscitée par une découverte et la réalisation de la promesse de la découverte. Le graphène, si courant qu’il se trouve dans n’importe quelle note griffonnée au crayon, n’a été découvert qu’en 2004.
Bird a obtenu un doctorat. en physique, mais il a été attiré par le génie électrique car cela lui a permis d’explorer la physique quantique à travers la recherche sur les semi-conducteurs. La physique quantique – « le genre de physique magique qui se produit à l’échelle atomique », a-t-il expliqué – peut être observée à travers des expériences utilisant une technologie qui explore les matériaux et les processus au niveau atomique.
« Nous pouvons faire en sorte qu’un système réponde aux actions que nous prenons, et cette réponse reflète les détails de la nature atomique et quantique du système », a-t-il déclaré. Le graphène a attiré son attention car il semblait être un moyen d’étudier les effets quantiques à travers des travaux sur les semi-conducteurs. À l’UB, il a créé un laboratoire appelé NoMaD, où lui, ses collègues et leurs étudiants étudient « les phénomènes quantiques se produisant à l’échelle nanométrique ». Les diplômés ont poursuivi des carrières chez Intel et IBM ainsi que dans d’autres universités.
Dans cette recherche, Bird et son équipe ont exploré les propriétés du graphène dans une certaine limite qui doit être atteinte pour créer de nouvelles technologies. L’industrie des puces à semi-conducteurs est une industrie massive qui continue de croître, exigeant de nouveaux matériaux, de nouvelles façons d’utiliser les matériaux existants et une nouvelle main-d’œuvre capable de développer les deux.
Plus d’information:
Jubin Nathawat et al, Signatures de porteurs chauds et de phonons chauds dans les états métalliques et semi-conducteurs réentrants du graphène à espacement moiré, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-37292-4