Une étude collaborative internationale impliquant des chercheurs de l’Université de Tel Aviv (TAU) a présenté une nouvelle méthode de culture de bandes ultra-longues et ultra-étroites de graphène (un dérivé du graphite), qui présentent des propriétés semi-conductrices pouvant être exploitées par l’industrie nanoélectronique. . Les chercheurs pensent que ce développement pourrait avoir de nombreuses applications technologiques potentielles, notamment des dispositifs de commutation avancés, des dispositifs spintroniques et, à l’avenir, même des architectures informatiques quantiques.
L’étude a été menée sous la direction d’une équipe de recherche internationale comprenant le professeur Michael Urbakh et le professeur Oded Hod de l’école de chimie de TAU, ainsi que des scientifiques de Chine, de Corée du Sud et du Japon. L’étude a été publiée dans la revue Nature.
Les professeurs Urbakh et Hod expliquent que le graphène est en réalité une seule couche de graphite composée d’atomes de carbone et construite de manière similaire à la forme d’une ruche. Le graphène est très adapté aux usages technologiques.
Outre son extraordinaire résistance mécanique, des propriétés supplémentaires ont été découvertes ces dernières années concernant certaines structures constituées d’un petit nombre de couches de graphène torsadées (en rotation latérale les unes par rapport aux autres). Ces propriétés incluent la supraconductivité, la polarisation électrique spontanée, la conduction thermique contrôlée et la superlubrification structurelle, un état dans lequel les matériaux présentent une friction et une usure négligeables.
L’une des limites de l’utilisation du graphène dans l’industrie électronique est qu’il s’agit d’un semi-métal, c’est-à-dire que les porteurs de charge peuvent s’y déplacer librement, mais leur densité est très faible. Par conséquent, le graphène ne peut être utilisé ni comme métal conducteur ni comme semi-conducteur utilisé par l’industrie des puces électroniques.
Cependant, si de longues et fines bandes de graphène (appelées nanorubans de graphène) sont découpées dans une large feuille de graphène, les porteurs de charge quantique se retrouvent confinés dans la dimension étroite, ce qui les rend semi-conducteurs et permet leur utilisation dans des dispositifs de commutation quantique. À l’heure actuelle, il existe un certain nombre d’obstacles à l’utilisation de nanorubans de graphène dans les appareils, parmi lesquels le défi de la croissance reproductible de feuilles étroites et longues isolées de l’environnement.
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont pu développer une méthode pour faire croître de manière catalytique des nanorubans de graphène étroits, longs et reproductibles directement dans des empilements hexagonaux isolants de nitrure de bore, ainsi que démontrer des performances maximales dans les dispositifs de commutation quantique basés sur les rubans nouvellement développés. . Le mécanisme de croissance unique a été révélé à l’aide d’outils avancés de simulation de dynamique moléculaire développés et mis en œuvre par les équipes israéliennes.
Ces calculs ont montré qu’un frottement ultra-faible dans certaines directions de croissance au sein du cristal de nitrure de bore dicte la reproductibilité de la structure du ruban, lui permettant de croître jusqu’à des longueurs sans précédent directement dans un environnement propre et isolé.
Les chercheurs considèrent ce développement comme une avancée scientifique et technologique dans le domaine des nanomatériaux, qui devrait ouvrir la porte à un large éventail d’études menant à leur utilisation dans l’industrie nanoélectronique.
Les professeurs Urbakh et Hod résument : « L’importance de ce nouveau développement réside dans le fait que, pour la première fois, il est désormais possible de fabriquer des dispositifs de commutation nanoélectroniques à base de carbone directement au sein d’une matrice isolante. Ces dispositifs auront probablement de nombreuses applications technologiques, y compris les systèmes électroniques et spintroniques, et même les dispositifs informatiques quantiques.
Plus d’information:
Bosai Lyu et al, Nanorubans de graphène cultivés dans des piles de hBN pour l’électronique haute performance, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07243-0