Représentation artistique des charges en mouvement dans le graphène bicouche naturel. Crédit : Lukas Kroll
Les chercheurs ont montré que la double couche graphène peut fonctionner à la fois comme supraconducteur et comme isolant, une propriété qui pourrait révolutionner la technologie des transistors. Cette double fonctionnalité permet le développement de à l'échelle nanométrique transistors très économes en énergie.
Une équipe de recherche internationale dirigée par l’Université de Göttingen a démontré expérimentalement que les électrons du graphène double couche naturel se déplacent comme des particules sans aucune masse, de la même manière que la lumière se déplace. En outre, ils ont montré que le courant peut être « activé » et désactivé, ce qui présente le potentiel de développer de minuscules transistors économes en énergie – comme l’interrupteur de votre maison, mais à l’échelle nanométrique. Le Massachusetts Institute of Technology (MIT), aux États-Unis, et l'Institut national pour la science des matériaux (NIMS) au Japon ont également participé à la recherche. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Communications naturelles.
Dr Anna Seiler. Crédit : Christian Eckel
Propriétés et défis du graphène
Le graphène a été identifié en 2004 et constitue une seule couche d'atomes de carbone. Parmi ses nombreuses propriétés inhabituelles, le graphène est connu pour sa conductivité électrique extraordinairement élevée en raison de la vitesse élevée et constante des électrons traversant ce matériau. Cette caractéristique unique a fait rêver les scientifiques d’utiliser le graphène pour fabriquer des transistors beaucoup plus rapides et plus économes en énergie.
Le défi réside dans le fait que pour fabriquer un transistor, le matériau doit être contrôlé pour avoir un état hautement isolant en plus de son état hautement conducteur. Dans le graphène, cependant, un tel « changement » de la vitesse du porteur ne peut pas être facilement réalisé. En fait, le graphène n’a généralement pas d’état isolant, ce qui limite son potentiel en tant que transistor.
Percée dans la recherche sur les transistors en graphène
L'équipe de l'Université de Göttingen a découvert que deux couches de graphène, telles que celles trouvées dans la forme naturelle du graphène double couche, combinent le meilleur des deux mondes : une structure qui prend en charge le mouvement incroyablement rapide des électrons se déplaçant comme la lumière comme s'ils n'avaient aucun effet. masse, en plus d'un état isolant.
Les chercheurs ont montré que cette condition peut être modifiée par l’application d’un champ électrique appliqué perpendiculairement au matériau, rendant le graphène double couche isolant.
Professeur Thomas Weitz. Crédit : T Weitz
Cette propriété des électrons se déplaçant rapidement avait été théoriquement prédite dès 2009, mais il a fallu une qualité d'échantillon considérablement améliorée, grâce aux matériaux fournis par le NIMS et une étroite collaboration théorique avec le MIT, avant qu'il soit possible de l'identifier expérimentalement. Bien que ces expériences aient été réalisées à des températures cryogéniques – à environ 273° sous le point de congélation – elles montrent le potentiel du graphène bicouche pour fabriquer des transistors très efficaces.
« Nous connaissions déjà la théorie. Cependant, nous avons maintenant mené des expériences qui montrent réellement la dispersion lumineuse des électrons dans le graphène bicouche. Ce fut un moment très excitant pour toute l'équipe », déclare le professeur Thomas Weitz, de la faculté de physique de l'université de Göttingen.
Le Dr Anna Seiler, chercheuse postdoctorale et première auteure également à l’Université de Göttingen, ajoute : « Notre travail est vraiment une première étape mais cruciale. La prochaine étape pour les chercheurs sera de voir si le graphène bicouche peut réellement améliorer les transistors ou d’étudier le potentiel de cet effet dans d’autres domaines technologiques.
