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Les promesses du « graphène artificiel » à semi-conducteurs

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En agençant des cristaux semi-conducteurs à la manière des atomes de carbone du graphène, des scientifiques ont mis au jour des propriétés électroniques exotiques. De quoi ouvrir de nouvelles voies à l'électronique pour des applications basées sur des matériaux semi-conducteurs ordinaires.

La structure 2D d'un feuillet de graphène. Remplacer les atomes de carbone par des nanocristaux de semi-conducteurs ordinaires permet l’émergence de comportements électroniques inédits. © Jannik Meyer

Le graphène fête tout juste ses dix ans, mais il ne se passe pas une semaine sans que des travaux le concernant soient publiés. Des puces électroniques au dessalement de l’eau de mer en passant par des rubans fortement conducteurs à température ambiante, les applications du graphène semblent presque infinies. Dans ce matériau constitué d'une monocouche d'atomes de carbone formant un réseau en nid d'abeilles, les électrons se déplacent plutôt comme des photons sans masse que comme des particules massives. La structure électronique du graphène présente en effet une caractéristique particulière, appelée cône de Dirac.

Toujours à la recherche de nouveaux concepts pour l'électronique du futur, les physiciens orientent leurs travaux sur de nouvelles familles de matériaux bidimensionnels qui suscitent un intérêt considérable. Parmi eux, les isolants topologiques sont des matériaux isolants dans leur cœur, mais dont les bords ont la propriété de conduire l'électricité. Les électrons s'y propagent librement, insensibles aux imperfections grâce à une protection topologique. Le moment magnétique des électrons (leur spin) est lié à leur direction de propagation le long du bord, donnant lieu à un courant de spin, très intéressant pour développer l'électronique de spin.

Les chercheurs montrent qu’une matrice en nid d'abeilles semblable à celle du graphène, en deux dimensions, et formée de nanocristaux peut, selon les cas, se comporter comme le graphène ou au contraire comme un isolant topologique. © Université du Luxembourg

L'un des objectifs des chercheurs actuellement est de mettre au point des matériaux qui combinent les propriétés des isolants topologiques et du graphène. C'est pour la première fois chose faite : des chercheurs ont réussi à fabriquer et à analyser une forme de « graphène artificiel » élaboré à partir de semi-conducteurs classiques. À la place du carbone du graphène, les chercheurs ont placé dans une matrice en nid d'abeilles des cristaux nanométriques de semi-conducteurs. Cette particularité présente un avantage certain : il suffit de modifier la forme, la taille ou la nature de ces cristaux nanométriques pour faire varier les propriétés de ce « graphène artificiel ». Les guillemets sont de mise, car du graphène, les composés synthétisés par les chercheurs n'ont que la structure... et quelques propriétés au niveau des bandes d'énergie.

Graphène artificiel et cônes de Dirac

Plus spécifiquement, dans un travail théorique, les scientifiques montrent qu'un réseau en nid d'abeilles formé par collage orienté de nanocristaux d'un semi-conducteur conventionnel comme le séléniure de plomb (PbSe) peut se comporter électroniquement à la fois comme du graphène et comme un isolant topologique. Une partie de la structure électronique reflète un matériau isolant dont les bords sont caractérisés par des courants de spin. Une autre partie présente non seulement deux cônes de Dirac (alors que le graphène n'en présente qu'un), mais aussi des bandes plates non triviales potentiellement très intéressantes pour réaliser l'effet Hall quantique de spin fractionnaire.

L'assemblage de nanocristaux formant un réseau en nid d'abeilles, tel que décrit dans la revue Physical Review X, promet de générer de nouvelles classes de matériaux présentant des phases quantiques complexes et modulables en jouant sur la taille et la composition des nanocristaux. Leur réalisation en partant de semi-conducteurs traditionnels pourrait accélérer les développements technologiques basés sur leurs propriétés non conventionnelles, en particulier en électronique de spin.

Variété de matériaux et propriétés modulables

Efterpi Kalesaki, de l'université du Luxembourg et auteur principal de l'article, explique que « ces nanocristaux autoassemblés avec une structure en nid d'abeilles émergent comme une nouvelle catégorie de systèmes avec un grand potentiel ». Quant à Ludger Wirtz, qui dirige le groupe de physique du solide théorique dans la même université, il affirme que « le graphène artificiel ouvre la voie à une grande variété de matériaux avec une nanogéométrie variable et des propriétés modulables ».

Dans son communiqué, l'université n'hésite pas à parler du graphène artificiel comme d'un matériau « qui pourrait lancer une révolution technologique », aussi bien dans les cellules solaires et les lasers que dans l'éclairage par Led par exemple. Des perspectives prometteuses, mais pour qu'elles deviennent réalité, le principal problème est le même que pour le graphène : développer une production industrielle à faible coût... Nous n'en sommes pas encore là, mais ce n'est qu'une question de temps.

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