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Le semi-conducteur au graphène fait mieux que le silicium

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Par Laurent Sacco, Futura

Une fois réalisé un semi-conducteur au silicium, ses caractéristiques sont figées. Mais en utilisant une double couche de graphène, une équipe internationale de chercheurs a obtenu un semi-conducteur aux performances modulables. En perspective, rien de moins qu'une nouvelle électronique.

L'arrangement des atomes de carbone dans un feuillet de graphène.

Les semi-conducteurs sont des pièces maîtresses de l'électronique moderne depuis des années. Ils permettent le passage d'un courant en fonction d'une tension qui leur est appliquée. La caractéristique centrale d'un semi-conducteur est alors la valeur de cette tension que l'on doit lui appliquer pour qu'un courant puisse passer.

Pour bien comprendre pourquoi, il faut se pencher un peu sur la théorie quantique de la conduction dans les solides. Il se trouve qu'en raison des propriétés ondulatoire des particules, il se constitue ce qu'on appelle des bandes d'énergie de valence et de conduction. Entre les deux, il y a ce qu'on appelle une bande d'énergie interdite. On peut se représenter la situation avec le schéma ci-dessous.

La bande de valence indique des niveaux d'énergie pour les porteurs de charge. Pour les électrons, ils sont si serrés que l'on peut les traiter comme un continuum d'énergie dans lequel ces porteurs peuvent se trouver mais où ils ne peuvent pas vraiment se déplacer dans un solide. La bande de conduction est produite par un phénomène similaire mais là, lorsque l'énergie communiquée à un porteur de charge dans la bande de valence est suffisamment élevée, celui-ci peut passer de cette dernière à la bande de conduction et il devient libre de se déplacer.

Crédit : Francoise Mulhauser

Entre les deux bandes se trouve un intervalle d'énergie dans lequel un porteur de charge ne peut pas se retrouver, il s'agit d'une bande interdite. L'intervalle d'énergie entre les deux bandes est ce qu'on appelle le gap.

Pour un isolant (à gauche sur le schéma), le gap est grand et il n'est pas facile de faire passer un porteur de charge de la bande de valence à la bande de conduction. Pour un métal (à droite sur le schéma), le gap est nul et les deux bandes n'en font qu'une. Un semi-conducteur est intermédiaire entre ces deux extrêmes. Par conséquent, sous l'action d'une faible tension, des porteurs de charge comme des électrons peuvent passer de la bande de valence à la bande de conduction. Un courant peut alors circuler à travers un semi-conducteur.

Le graphène est un matériau aux propriétés fascinantes qui constitue le graphite sous forme de feuillets d'atomes de carbone organisés en une seule couche d'épaisseur monoatomique. Il a fait l'objet de beaucoup d'études en raison de son potentiel pour la nanoélectronique.

Avec une double couche de graphène, Antonio Castro Neto de l'Université de Boston et ses collègues espagnols, portugais et britanniques ont réussi à réaliser un semi-conducteur dont le gap est modulable sous l'action d'une différence de potentiel.

En son absence le gap est nul mais, dans le cas contraire, celui-ci apparaît et une variation de 0 à 150 meV a été observée pour ce gap lorsque la tension est passé graduellement de 0 à 100 V.

Avec ce type de dispositif, on peut penser que vont émerger non seulement des transistors aux propriétés aisément modulables mais aussi des lasers à semi-conducteurs de grande précision, finement réglables à une longueur d'onde désirée. Il semble de plus en plus probable qu'à l'avenir, le graphène remplacera le silicium.

Britney Spears va devoir faire des ajouts à son célèbre cours sur la physique des semi-conducteurs...