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Graphène : un nouveau matériau pour la nano-électronique

Dans quelques matériaux, les électrons se déplacent dans un plan : on dit qu’ils sont « bi-dimensionnels ». Les plus connus sont les hétérojonctions d’Arséniure de Gallium, utilisés dans les téléphones portables et pour les télécommunications optiques. Dans ce matériau, les électrons sont confinés à l’interface entre deux matériaux l’AlGaAs et le GaAs. Le graphène est un nouveau matériau bi-dimensionnel : il est composé d’un feuillet unique de graphite, la forme la plus commune du carbone. Dans ce matériau, les atomes de carbone forment un réseau hexagonal (figure 1), et les électrons de conduction occupent les orbitales p et se déplacent librement sur tout le feuillet de graphène.

Si des matériaux bidimensionnels existent pourquoi s’intéresse-t-on tant au graphène ? La raison vient de ses propriétés électroniques uniques. Les électrons ont une dynamique relativiste : ils se déplacent à une vitesse de 106 mètres par seconde, quelque soit leur énergie : c’est la « vitesse de la lumière » du matériau. Par ailleurs, les charges contribuant à la conduction sont soit négatives (électrons d’énergie positive) soit positives (trous d’énergie négative) : quel que soit l’énergie, il existe donc des porteurs de charges disponibles. Ils se déplacent librement dans le plan : on dit que leur mouvement est balistique, car il n’est limité que par « les bords » du matériau. Enfin, les électrons dans ce matériau ont en plus du spin, une « couleur » supplémentaire. Avec des propriétés si différentes des semiconducteurs usuels, on peut envisager une électronique tout-graphène basée sur des composants apportant de nouvelles fonctions. Plusieurs méthodes de fabrication de plans de graphène ont été proposées. La plus commune consiste à exfolier (peler) des couches individuelles de graphène à partir d’un morceau de graphite et de les reporter sur des plaques de verre. Malgré son coté artisanal, cette méthode a permis de mettre en évidence l’effet Hall quantique (pour les charges positives et négatives) et de confirmer les propriétés de transport attendues dans ce matériau si singulier. Une autre voie a été développée par le groupe de Walt de Heer (Giorgiatech) : on décompose la surface d’un cristal de carbure de Silicium à haute température. Elle se « reconstruit » sous la forme de un ou de plusieurs plans de graphène. Ce matériau est facile à graver et peut être façonné sous différente formes (rubans, etc...).
Structure hexagonale d’un plan de graphène
Fig.1 : représentation d’un plan de graphène, avec la structure en nid d’abeille des atomes de carbone. Lorsqu’on façonne ce plan en ruban, on a une conductance idéale lorsque les bords sont en zig-zag, comme l’illustre la figure.

Des expériences de magnéto-transport conduites en collaboration avec Giorgiatech ont montré que cette synthèse du graphène donnait des matériaux encore plus performants et avec la plupart des propriétés caractéristiques attendue dans ce matériau. Un des grand défis reste de démontrer la pertinence technologique de ce matériau qui présente un très fort potentiel pour l’électronique compte tenu de sa compatibilité avec le Silicium, qui est aujourd’hui le matériau de base de toute l’industrie.

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