Nouvelle génération de transistors flexibles à base de graphène

La réalisation de composants électroniques à base de graphène, matériau constitué d’un plan unique d’atomes de carbone, est aujourd’hui un défi technologique majeur.

Les chercheurs espèrent, d’une part, bénéficier de la mobilité électronique exceptionnelle au sein de ce matériau et, d’autre part, concevoir des composants électroniques flexibles à bas coût. Ainsi, des chercheurs du CEA (1), du CNRS (2), de l’Université Lille 1 (2) et de l’Université de Northwestern (3) ont élaboré un nouveau procédé original de fabrication de transistors combinant flexibilité et mobilité électronique, capables de fonctionner à très haute fréquence (GHz) et utilisant du graphène manipulé « en solution », compatible avec des techniques d’impression.

De tels composants électroniques devraient permettre le développement de circuits électroniques performants, intégrés dans les objets du quotidien. Ces résultats sont publiés dans la revue Nano Letters du 14 mars 2012.

Le graphène, plan unique d’atomes de carbone à structure hexagonale, possède des propriétés exceptionnelles. En particulier, la grande mobilité des électrons dans ce matériau doit favoriser le fonctionnement à très haute fréquence de composants électroniques réalisés en graphène. Par ailleurs, ses propriétés mécaniques en font un matériau flexible. Ces deux avantages pourraient être mis à profit dans la fabrication de composants et de circuits électroniques destinés à des secteurs variés : développement d’écrans souples, de transistors et de composants électroniques très performants et fabriqués à bas coût.

Actuellement, plusieurs voies de synthèse du graphène existent. L’une d’elles permet de le produire sous la forme d’une solution de particules de quelques centaines de nanomètres de diamètre, stabilisées dans l’eau par des tensioactifs (4). Pour obtenir cette « encre conductrice », la voie de synthèse utilisée permet de ne sélectionner que des feuillets monocouches qui assurent des propriétés électroniques remarquables (5) (et non un mélange de graphène monocouche et multicouche). Autre spécificité : la production de composants peut s’effectuer sur des supports très variés tels que du verre, du papier ou encore un substrat organique.

Des chercheurs du CEA, du CNRS, de l’Université Lille 1 et de l’Université de Northwestern ont, pour la première fois, élaboré un procédé original de fabrication de transistors flexibles à partir de graphène solubilisé, sur des substrats de polyimide (polymère thermostable). Ils ont ensuite étudié de manière approfondie leurs performances haute-fréquence.

Dans le procédé mis au point, les feuillets de graphène en solution sont déposés sur le substrat sous l’effet d’un champ électrique alternatif appliqué entre des électrodes préalablement fabriquées. Cette technique de diélectrophorèse (DEP) permet de diriger le dépôt du graphène et d’obtenir localement une forte densité de feuillets déposés. Cette densité est cruciale pour obtenir d’excellentes performances à haute fréquence. Ainsi, la mobilité des charges dans les transistors réalisés est de l’ordre de 100 cm2/V.s, ce qui est très supérieur aux performances obtenues avec des molécules ou des polymères semi-conducteurs. Ces transistors atteignent donc des fréquences très élevées, de l’ordre de 8 GHz, jusqu’ici jamais obtenues en électronique organique !

Ces résultats montrent que le graphène préparé sous forme d’ « encre conductrice » est un matériau particulièrement compétitif pour la réalisation de fonctions électroniques flexibles dans une gamme de hautes fréquences (GHz) totalement inaccessibles aux semi-conducteurs organiques classiquement utilisés. Cette nouvelle génération de transistors ouvre des possibilités importantes dans de nombreux domaines d’applications tels que les écrans souples (pliables ou enroulables), l’électronique intégrée dans des textiles ou des objets du quotidien tels que des étiquettes RFID (6) capables de traiter et de transmettre de l’information.