Des chercheurs de l’Empa et du Max Planck Institut für Polymerforschung (« Institut Max Planck de recherche sur les polymères ») sont parvenus à doper des molécules de graphène avec des atomes d’azote placés de manière contrôlée dans la structure.
En tant que ruban ultra étroit, le graphène possède des propriétés semi-conductrices – quoique ce matériau soit intrinsèquement un matériau conducteur.
En juxtaposant les éléments de graphène dopés et non dopés, ils ont ainsi pu établir des hétérojonctions dans les nanorubans. Ceci constitue une condition préalable pour que lors d’une mise sous tension, le courant ne passe que dans une seule direction, réalisant ainsi la première étape vers le développement d’un transistor au graphène. Par ailleurs, l’équipe a réussi à détacher les rubans de graphène du support en or où ils sont assemblés et à les transférer sur un matériau électriquement non-conducteur.
Le graphène présente bien des propriétés exceptionnelles : il possède une excellente conductivité du courant électrique et de la chaleur, est transparent, plus dur que le diamant et extrêmement solide. Mais pour qu’un matériau puisse être utilisé dans la création d’interrupteurs électroniques efficaces, il ne doit pas seulement posséder une conductivité exceptionnelle, il doit aussi pouvoir être « activé » et « désactivé ». Pour ce faire, il est indispensable que le matériau possède une « bande interdite », pour assurer son fonctionnement comme semi-conducteur. Le problème est que la bande interdite du graphène est minuscule. C’est la raison pour laquelle les chercheurs de la section « nanotech@surfaces » de l’Empa ont développé il y a peu une méthode pour synthétiser une forme de graphène avec des bandes interdites relativement grandes. À cette fin, ils ont fait « pousser » des rubans de graphène ultra étroits par auto-assemblage moléculaire.
Rubans de graphène constitués de segments dopés de différentes manières
L‘équipe de Roman Fasel vient de franchir une étape supplémentaire en parvenant à faire croître des rubans de graphène constitués de segments chimiquement différents. En plus des molécules de carbone « pures », l’équipe a utilisé des molécules dopées – lesquelles, dans des positions bien définies, sont dotées d’« atomes étrangers », en l’occurrence d’azote. La juxtaposition de segments « normaux » et dopés à l’azote sur une surface d’or (Au(111)) a pour effet de créer ce que l’on appelle des hétérojonctions entre les différents segments.
Les chercheurs ont démontré que ces dernières présentent des propriétés analogues à une transition pn classique, c’est-à-dire une transition d’un dopage positif à un dopage négatif comme on en trouve dans des diodes créées dans les cristaux semiconducteurs. Ces diodes sont à la base de bon nombre de composants de la technologie des semiconducteurs. Une transition pn a pour effet que lorsqu’elle est soumise à une tension externe, un courant électrique ne passe que dans une direction.
[ Hétérostructure composée de segments d’un ruban de graphène purs et dopés en azote (de lumière bleue). ]
De plus, ce type de jonction permet la séparation efficace de paires électron-trou, comme l’ont prédit les théoriciens de Empa et leurs collaborateurs du Rensselaer Polytechnic Institute. Ces trouvailles ont une grande influence sur le rendement d’une cellule solaire. Dans la dernière édition de « Nature Nanotechnology », les chercheurs décrivent les hétérojonctions correspondantes dans les rubans de graphène segmentés.
Transfer de rubans de graphène sur d’autres substrats
Lors de ce projet de recherche, les scientifiques ont aussi résolu un autre problème : comment peut-on transfèrer des rubans de graphène ultra-minces sur d’autres surfaces ? En effet, aussi longtemps que ces derniers se trouvent sur un substrat métallique (l’or en l’occurrence), ils ne peuvent pas être utilisés comme interrupteurs électroniques. L’or est en effet un conducteur qui crée un court-circuit qui « sabote » de ce fait le ruban de graphène « activable et désactivable » devenu par là un semi-conducteur. L’équipe de Roman Fasel et ses collègues de l’Institut Max Planck de recherche sur les polymères à Mayence sont parvenus à démontrer que les rubans de graphène peuvent être efficacement transférés intacts lors d’un processus de nettoyage et de gravure relativement simple sur quasi n’importe quel substrat, comme par exemple le saphir, le fluorure de calcium ou l’oxyde de silicium.
Ainsi, le graphène devient de plus en plus un matériau semi-conducteur intéressant et un complément bienvenu au silicium omniprésent. Les rubans de graphène ultra-minces sont attrayants parce qu’ils ont permis de créer des composants électroniques plus petits, donc moins gourmands en énergie et plus rapides que le silicium. Mais l’utilisation de rubans de graphène dans le domaine de l’électronique n’est pas encore pour demain : Fasel estime qu’il faudra sans doute encore 10 à 15 ans avant que les premiers interrupteurs électroniques puissent être utilisés dans une application de la vie de tous les jours.
Par opposition au graphène, qui absorbe la lumière dans les mêmes proportions pour toutes les longueurs d’ondes, dans le cas des nanorubans de graphène, l’absorption de lumière peut être augmentée massivement de manière ciblée pour certaines longueurs d’ondes. Ce résultat s’obtient en déterminant la largeur des rubans de graphène avec une précision de l’ordre de l’atome.
Rubans de graphène pour composants photovoltaïques
Les composants photovoltaïques pourraient aussi être un jour à base de graphène. Dans un second article paru dans « Nature Communications », Pascal Ruffieux – lui aussi de la section « nanotech@surfaces » de l’Empa – et ses collègues décrivent une utilisation possible de rubans de graphène, par exemple dans des cellules solaires.
Ruffieux et ses collègues ont remarqué que les rubans de graphène particulièrement étroits absorbent exceptionnellement bien la lumière visible et sont donc particulièrement bien adaptés en tant que couche d’absorption dans les cellules solaires organiques. Par opposition au graphène «normal», qui absorbe la lumière dans les mêmes proportions pour toutes les longueurs d’onde, dans le cas des nanorubans de graphène, l’absorption de lumière peut être augmentée massivement de manière ciblée en « ajustant » la largeur des rubans de graphène avec une précision de l’ordre de l’atome.
