Electronique: le graphène va-t-il remplacer le silicium ?

Le graphène remplacera-t-il le silicium ?

Une prouesse  vient d’être réalisée par une équipe internationale (des chercheurs du CNRS, de l’Université de Lorraine et du synchrotron SOLEIL en France, du Georgia Institute of Technology et du Oak Ridge National Laboratory aux Etats-Unis, de l’Université Leibniz en Allemagne): des nanorubans de graphène ouvrant des perspectives prometteuses pour l’électronique de pointe.

Ils sont conducteurs à température ambiante : une fois dans le matériau, les électrons s’y déplacent de manière libre sans subir de collision…

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Tout d’abord , quelques rappels ….

Le Graphène ?

Sur ce dessin on observe la structure "ondulante" de la monocouche critalline de carboneFeuillet de graphène. © consoglobe.com

Des mathématiciens et physiciens comme Lev Landau (prix Nobel de physique en 1962)avaient« démontré théoriquement qu’il était impossible de créer un réseau cristallin à deux dimensions ( dans un plan ).

Ce travail est connu sous le terme de « théorème d’impossibilité ».

Pourtant, le graphène a été identifié pour la première fois en 2004 par l’équipe d’Andre Geim à l’université de Manchester en Angleterre.(on sait maintenant que ce théorème ne s’applique pas si le réseau est parcouru d’ondulations: c’est le cas du graphène) .

  Poue cette découverte, Andre Geim et son collaborateur Konstantin Novoselov,  ont reçu le prix Nobel de Physique en octobre 2010.

Le graphène est le premier  cristal atomique à deux dimensions : il est  constitué d’une seule couche d’atomes de carbone.

représentation du graphène

La feuille de graphène se présente sous la forme alvéolée d’un treillis en nid d’abeille

En empilant des feuilles de graphène, on obtient le graphite ( mines de crayons à papier)

 

Ses propriétés sont exceptionnelles:

  • une feuille de graphène est un million de fois plus fine qu’un cheveu
  • elle est très légère
  • elle est  plus résistante à la rupture que l’acier
  • Le graphène présente une  très bonne conductivité électrique : les électrons s’y déplacent jusqu’à 200 fois plus vite à température ambiante que dans le silicium.
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 Son potentiel en électronique  est énorme, il est donc étudié sous toutes les coutures:

Le premier transistor en graphène a  été mis au point en 2007 ( Geim et Novoselov)  De quelques dixièmes de nanomètres d’épaisseur, il est bien plus rapide que ses homologues en silicium.

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Kohlenstoffnanoroehre_Animation@ APPER

Il y a quelques années, des chercheurs ont démontré que les nanotubes de carbone, l’une des formes de graphène les plus connues, peuvent transporter le courant électrique de manière balistique, c’est-à-dire sans atténuation au sein du matériau.

Mais ces nanotubes sont complexes à fabriquer et à insérer en très grand nombre sur une puce électronique.

Les chercheurs se sont tournés vers une autre forme de graphène: les rubans « plats ».

Graphène

© John Hankinson, Georgia Institute of Technology.

« Schéma de principe d’un circuit comprenant des rubans de graphène interconnectés (atomes en noir) fabriqués par croissance sélective sur des marches gravées dans un monocristal de carbure de silicium (atomes en jaune). Les électrons (en bleu) ont une trajectoire balistique le long des rubans, puis se déplacent d’un ruban à l’autre par les contacts métalliques. Le courant est modulé par des grilles électrostatiques.

Les chercheurs ont choisi de synthétiser ce graphène à une dimension à partir d’un cristal facilement disponible dans le commerce, le carbure de silicium. Grâce à un procédé ingénieux, ils ont réussi à obtenir des rubans de graphène d’une très grande qualité structurale, formés d’un « feuillet » de carbone très étroit, de 40 nm de large. La prouesse a été de conserver des bords de ruban très organisés. Il s’agit d’un élément primordial car un ruban de graphène aux bords rugueux ne permet pas une bonne propagation électronique. Pour avoir des rubans réguliers même au bord, l’astuce a été de creuser des tranchées de profondeur nanométrique dans le carbure de silicium puis de fabriquer directement les rubans de graphène à partir des plans verticaux de ces tranchées.

Pour les scientifiques, le résultat a été au-delà de leur espérance. En effet, quand ils ont caractérisé les rubans de graphène ainsi conçus, ceux-ci se sont révélés conducteurs balistiques à température ambiante : une fois dans le matériau, les électrons s’y déplacent de manière libre sans subir de collision. Les rubans se comportent donc comme des « guides d’onde ». La mobilité des charges dans ces matériaux atteint plus de un million de cm2/V.s. Leur mobilité électrique serait ainsi 1000 fois plus importante que celle des semi-conducteurs en silicium (mobilité inférieure à 1700 cm2/V.s) utilisés notamment dans les processeurs et mémoires d’ordinateurs. Il s’agit des premiers rubans de graphène dotés d’une telle conductivité à température ambiante…Autre spécificité : ces rubans peuvent être produits facilement et en grande quantité tout en conservant les mêmes propriétés. Ce qui rend leur utilisation à grande échelle possible.

De par leur exceptionnelle conductivité électronique à température ambiante, ces nouveaux rubans de graphène pourraient permettre de nombreuses applications en nanoélectronique de pointe. » source CNRS

voir l’article en entier CP_Graphene__Paris-Nancy_VF(1)

 

Où en sont les recherches ?

« Graphene 2014, la plus importante conférence internationale sur ce matériau, se tiendra pour la première fois en France, du 6 au 9 mai à Toulouse. Le CNRS, premier organisme européen mobilisé sur le graphène, y coordonne la participation française que nous vous invitons à découvrir. Au programme sur le pavillon français : une présentation de travaux marquants sur le graphène, les résultats d’une enquête sur son potentiel de valorisation au CNRS… Ce seront autant d’occasions de mieux appréhender ce matériau prometteur… » voir la suite ici: Graphène : où en sont les recherches ?

Pour en savoir plus :