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Le graphène, challenger du silicium pour l'électronique de demain

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Une salve de résultats viennent de placer le graphène, une forme de carbone pur, en bonne position pour remplacer le silicium dans des transistors à hautes performances. En améliorant la pureté du matériau ou en élaborant une double couche, on peut tirer profit de son exceptionnelle conductivité électrique, même à température ambiante.

Figure 2. Dans la partie gauche, une feuille simple véhicule un signal (représenté par la courbe), extrêmement bruité. A droite, la double feuille agit comme un atténuateur de bruit, laissant passer un signal de meilleure qualité. © IBM

Depuis plusieurs années, le graphène est l'étoile montante de l'électronique expérimentale. Constitué uniquement de carbone, comme le graphite, il se présente comme un cristal bidimensionnel, dans lequel les atomes, arrangés en structures hexagonales, forment des couches monoatomiques. Enroulé sur lui-même, un tel feuillet peut donner un nanotube. Refermé en sphère, il devient un fullerène.

Comme d'autres électroniciens,  Michael S. Fuhrer et ses collègues du Center for Nanophysics and Advanced Materials (université de Maryland) jouent avec ses nano-objets. Dans un article récemment paru dans Nature Nanotechnolgy, ils démontrent que le graphène peut, dans certaines conditions, présenter une résistance électrique plus faible que n'importe quel autre conducteur électrique et ce même à température ambiante.

L'excellente conductivité électrique du graphène est connue depuis longtemps. Mais, comme dans tout matériau, elle dépend de la température. Au-dessus du zéro absolu, les atomes vibrent, ce qui contrecarre les mouvements des électrons, augmentant d'autant la résistance électrique. Dans le graphène, la conductivité est très élevée, ou, ce qui revient au même, la résistivité est faible. Mesurée en ohms.mètres, cette résistivité indique la résistance (en ohms) au courant électrique d'un morceau de matériau de 1 mètre carré de surface.

Un très bon conducteur

Michael Fuhrer et son équipe ont étudié comment varie cette résistivité en fonction de la température dans une feuille monoatomique de graphène déposée sur un substrat d'oxyde de silicium (voir la figure 1). Avec 30 ohms.mètres à température ambiante, la résistivité est inférieure de 35 % à celle de l'argent.

Plus précisément, ils ont mesuré la mobilité des charges électriques dans le matériau. Exprimée en centimètres carrés par volt et par seconde, elle indique comment ces charges se déplacent au sein du matériau sous l'effet d'un potentiel électrique (en volts). Ces charges peuvent être des électrons ou des « trous », charges positives constituées par l'absence d'un électron.

La mobilité intrinsèque, c'est-à-dire du graphène lui-même, est de 200.000 cm2/V.s, alors que celle du silicium n'est que de 1.400 cm2/V.s, tandis que le record chez les semi-conducteurs habituels est tenu par l'antimoniure d'indium (InSb) avec 77.000 cm2/V.s. Les nanotubes de carbone, eux, grimpent à 100.000.

Figure 1. Sur le substrat d'oxyde de silicium (en violet clair) est étalée la feuille de graphène (zone en violet foncé), installée entre les électrodes d'or (en jaune). La partie supérieure est un dessin, montrant la structure du graphène, cristal bidimensionnel. © S. Cho and M. S. Fuhrer, University of Maryland

On comprend tout l'intérêt que les électroniciens portent au graphène. Mais il reste du chemin à parcourir. En effet, la seule présence d'un substrat sous la feuille de graphène fait chuter la mobilité, qui devient très dépendante de la température. A celle du laboratoire, la mobilité d'un tel assemblage (mobilité dite extrinsèque) n'est que d'environ 40.000 cm2/V.s.

C'est donc l'environnement qui réduit la conductivité dans le graphène, les charges électriques dans son voisinage diminuant la mobilité des électrons. « Nos feuilles de graphène sont en général plutôt "sales", commente Michael Fuhrer, avec des sources externes de résistivité ». La conclusion des auteurs est qu'il reste donc beaucoup de marge pour améliorer les performances du graphène.

Deux couches font moins de bruit

Des chercheurs d'IBM ont avancé dans cette voie en serrant l'une contre l'autre deux feuilles de graphène. Une équipe internationale avait déjà, à la fin de 2007, démontré l'intérêt d'une telle double couche de graphène, qui permet de contrôler le passage d'un courant à l'aide d'une tension. Le dispositif en graphène devient alors l'équivalent d'un transistor à effet de champ. L'équipe du centre de recherche Watson, d'IBM, vient d'annoncer dans Nano Letters un avantage surprenant : la présence de deux couches améliore considérablement la qualité du signal électrique transporté par le graphène.

Avec deux feuilles disposées à très faible distance l'une de l'autre, les perturbations apportées par les matériaux voisins, qui génèrent ce que les physiciens appellent le bruit, sont fortement réduites (voir la figure 2). Le rapport signal/bruit est donc bien meilleur. Or il constitue jusqu'à présent une énorme difficulté avec des composants de très petites tailles car plus les dimensions se réduisent et plus le bruit devient important par rapport au signal lui-même jusqu'à le brouiller complètement. Les chercheurs expliquent le phénomène par l'apparition de trous associés aux électrons. Ces couples se promèneraient dans le graphène en étant moins perturbés par leur voisinage que des électrons isolés. De l'avantage de vivre à deux...

Et si le substrat gêne... on peut l'enlever. C'est ce que vient montrer le Hollandais Mikhail Katsnelson et son équipe de l'université Radboud, à Nijmegen. En enroulant le graphène autour d'un support en or, il est possible de l'en séparer ensuite. La feuille a le bon goût de prendre la forme d'une tôle ondulée et gagne ainsi en rigidité. Toujours en Hollande, une équipe de l'université Technique de Delft vient de mettre en évidence la supraconductivité du graphène à basse température et une autre, à Nimegue, a quant à elle, réussi à mesurer un effet Hall quantique à température ambiante, un phénomène étonnant et prometteur qui avait été découvert début 2007.

Avec ces propriétés variées, les applications pourraient déborder de l'électronique. La dépendance de la résistivité du graphène à son environnement immédiat pourrait par exemple en faire un bon matériau pour réaliser des capteurs divers. Plusieurs années d'acharnement scientifique portent donc leurs fruits. Il en faudra encore plusieurs pour voir le graphène débarquer dans des applications industrielles. Mais cette éventualité est désormais très probable.

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