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Des boîtes quantiques construites à l'aide de fullerènes C60

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Boîtes quantiques et graphène sont deux stars des nanosciences. Un groupe de chercheurs vient de trouver comment les combiner, à l'aide de la fameuse molécule en ballon de football de Sir Harry Kroto, afin de former des structures prometteuses pour la nanoélectronique de demain.

Du buckminsterfullerène chauffé à 825 kelvins sur du ruthénium se fragmente en amas de graphène, lesquels se recombinent pour former des boîtes quantiques. © K. P. Loh

D'une façon indirecte, les feuillets de carbone dont l'épaisseur n'est que d'un atome et que l'on connaît aujourd'hui sous le nom de graphène ont déjà fait parlé d'eux en 1985. C'est en effet à cette date que le journal Nature a publié un modèle moléculaire hypothétique de la molécule de C60. Chaque carbone y était à un sommet d'un icosahèdre tronqué contenant douze faces pentagonales et vingt faces hexagonales. Comme un ballon de football contient le même nombre de pentagones et d'hexagones, le modèle proposé lui ressemblait et la célébrité de cette molécule fut immédiate. On la connaît aussi sous le nom de buckminsterfullerène, en hommage à  l'architecte Buckminster Fuller (1895-1983) qui a inventé le dôme géodésique, une structure à la fois légère et solide, capable de couvrir un maximum d'espace sans supports internes. La structure de la molécule C60 lui ressemblant elle aussi beaucoup.

Or, ce fullerène, qui a été synthétisé pour la première fois par Harry Kroto, professeur d'astrophysique de l'Université de Sussex (UK) et les professeurs Richard Smalley et Robert Curl de la Rice University (USA), peut être vu comme un feuillet de graphène que l'on aurait découpé puis cousu pour former une molécule de C60. Inversement, de telles molécules, issues de travaux ayant pour but une meilleure compréhension de la nature des poussières carbonées interstellaires, devaient pouvoir être utilisées pour obtenir des fragments de graphène.

Le graphène lui-même est très prometteur pour des transistors du futur, à la base d'une nanoélectronique encore à naître. Cependant, le graphène lui-même est initialement un très bon conducteur. Or, pour faire des nanotransistors, ceux-ci doivent utiliser des matériaux semi-conducteurs. On travaille donc sur le moyen de former de tels matériaux à partir du graphène.

Du buckminsterfullerène sur du ruthénium

Jusqu'à présent, les chercheurs avaient seulement été capables de réaliser des transistors à partir de rubans de graphène avec divers inconvénients, notamment celui d'être encore de trop grande taille. Kian Ping Loh et ses collègues de l'Université de Singapour explorent une technique bien plus prometteuse qui leur a permis de réaliser des boîtes quantiques en graphène de tailles inférieures à 10 nanomètres à l'aide des molécules de fullerène C60 en tant que précurseurs. 

Loh et ses collègues ont généré ces boîtes quantiques en décomposant du buckminsterfullerène à des températures élevées sur une surface métallique de ruthénium. Le métal agit comme un catalyseur et force les molécules de C60 à se décomposer en amas de carbone. Les chercheurs ont ensuite utilisé la microscopie à effet tunnel pour observer comment les amas de carbone diffusent sur la surface métallique et comment ils s'agrègent pour former des boîtes quantiques. 

Ils ont compris qu'ils pouvaient contrôler la densité des amas de carbone et leur agrégation pour obtenir des structures hexagonales de tailles voulues. Surtout, les boîtes quantiques en graphène qu'ils ont obtenues se sont trouvées avoir un gap en énergie, caractéristique des semi-conducteurs, inversement proportionnel à la taille de ces boîtes. Ils avaient donc bien réussi à obtenir une nouvelle voie de synthèse pour la création de nanocomposants électroniques basés sur le graphène.

Leur travaux sont exposés dans une publication récente de Nature Nanotechnology.

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