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Quand le graphite devient un semi-conducteur

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Le graphène occupe le devant de la scène dans la saga des composants électroniques de demain. Mais le graphite n'a peut-être pas dit son dernier mot si l'on en croit les travaux d'un groupe de chercheurs du Max Born Institute à Berlin. Dans certaines conditions, le graphite (qui est naturellement conducteur) peut se comporter comme un semi-conducteur.

Le graphite est un empilement de feuillets de graphène. Les liaisons entre les atomes de carbone à l'intérieur des feuillets sont 50 fois plus fortes que celles entre les feuillets. Crédit : Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

Le XXIième siècle sera certainement l'ère des nanosciences, aussi bien dans le domaine des nouveaux matériaux qu'en biologie et en médecine. Lorsqu'on saura produire du graphène et des nanotubes de carbone à l'échelle industrielle et à faibles coûts, nul doute que se multiplieront les applications potentielles découvertes depuis une dizaine d'années par les physiciens du solide et les biophysiciens s'occupant de nouveaux traitements médicaux.

En attendant, des chercheurs comme Markus Breusing, Claus Ropers et Thomas Elsaesser, continuent à explorer les propriétés des matériaux aussi classiques que le graphite. Cela n'est pas étonnant. En effet, le graphite est lui-même un empilement de feuillets de graphène et il pourrait bien recéler quelques surprises en réserve pour les technologies futures.

De fait, comme les chercheurs du Max Born Institute l'expliquent dans un article récemment publié dans la revue Physical Review Letters, l'emploi de lasers femtoseconde a permis de faire d'intéressantes découvertes.

Cette équipe  ont d'abord commencé par exciter les électrons d'un morceau de graphite à l'aide d'impulsions laser ultracourtes. Avec le même genre d'impulsions laser, il est aussi possible d'observer l'évolution dans le temps de ces électrons avec une résolution de 10 femtosecondes (rappelons qu'une femtoseconde correspond à 10-15 seconde).

Un matériau pour une électronique plus rapide ?

On constate alors qu'en moins de 30 femtosecondes, les électrons sont portés sur des niveaux d'énergies très élevés et ils constituent alors un gaz chaud à une température de 2.500°C qui se refroidit à 200°C en seulement 500 femtosecondes. Lors du processus de relaxation vers un état d'équilibre, la chaleur des électrons est transférée sous forme de phonons, des quanta d'excitations, au réseau cristallin du graphite.

Ces phénomènes démontrent que le graphite ne se comporte pas toujours comme un métal conducteur. Sur des échelles de temps très courtes, comme celles intervenant dans des composants électroniques travaillant à très hautes fréquences, et avec des champs électriques d'amplitudes particulièrement grandes, le graphite se comporte comme un semi-conducteur.

Cette découverte pourrait donc ouvrir la voie à une nouvelle génération de circuits électroniques travaillant à des cadences de calculs élevées.

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