Une équipe de chercheurs de l'université de Floride a développé une technique permettant de créer des circuits intégrés en graphène, « matériau miracle » de par ses nombreuses qualités, à l'aide d'un crayon ionique dispensant des ions Or sur un tracé d'une vingtaine de nanomètres d'épaisseur.
Plus que jamais au centre de très nombreuses recherches et études scientifiques ces dernières années, le graphène, matériau « miracle » par excellence, est un cristal bidimensionnel de carbone composé d’une simple couche sans défaut, dont les atomes sont arrangés sous la forme d’un treillage hyper-régulier, de type rayons de nid d’abeille.
L’empilement de ces couches constitue le graphite, existant dans la nature. Le graphène est un des matériaux les plus résistants testés jusqu’à présent, il possède de remarquables qualités de conductivité et d’imperméabilité à la plupart des gaz, ce qui pourrait rendre son utilisation à l’échelle nano très intéressante. Son seul vrai défaut, et pas des moindres : sa production reste encore très problématique, et est particulièrement onéreuse.
Ce sont les fantastiques propriétés électriques de ce cristal bidimensionnel qui ont amené les scientifiques de tous bords à imaginer le futur des circuits intégrés, futur dans lequel le graphène aurait donc une place de choix. Une équipe de chercheurs de l’université de Floride a donc décidé dans cette optique de s’attaquer à l’un des obstacles majeurs à l’utilisation de ces feuilles d’un atome d’épaisseur dans la conception des circuits intégrés, à savoir comment produire le graphène de manière parfaitement fiable et à grande échelle.
Carbure de silicium (SiC)
L’équipe de scientifiques américains aurait récemment développé une nouvelle technique prometteuse de création de modèles de graphène, dont la précision du tracé pourrait se prêter idéalement à la conception et au dessin complexe d’un circuit intégré, technique s’appuyant sur un minéral presque exclusivement artificiel, le carbure de silicium (SiC). La forme monocristalline du carbure de silicium peut être considérée comme un semi-conducteur, alors que sa forme polycristalline est rangée dans la catégorie des céramiques.
L’obtention du graphène à partir du SiC, que l’on appelle graphène « épitaxié », n’a en soi rien de bien nouveau. Il suffit de chauffer sous vide le carbure de silicium, à 1300 degrés, pour que les atomes de silicium composant les couches externes du SiC s’évaporent, ne laissant alors plus que les atomes de carbone, qui finissent par se réorganiser en fines couches de graphène pur.
Ions Or et « crayon ionique »
Idéale pour créer de grandes feuilles de graphène, cette décomposition thermique présente toutefois des limites lorsqu’il s’agit d’imprimer une forme, un circuit ou un dessin précis après évaporation. Le processus de gravure ou de découpe habituellement utilisé pour la mise en forme a pour inconvénient de réduire la mobilité des électrons dans le matériau, une de ses qualités les plus précieuses.
L’idée de génie de l’équipe américaine pour limiter la croissance du graphène, et ainsi le cantonner dans les limites d’un tracé précis d’une épaisseur d’à peine une vingtaine de nanomètres, fut d’ajouter des ions Or au carbure de silicium, à l’aide d’un « crayon ionique ». Les ions Or ont la particularité de baisser d’une centaine de degrés la température à laquelle le graphène se forme, l’amenant à se former autour de 1200 degrés Celsius au lieu des 1300 degrés requis. Les ions Or laissent donc la possibilité à une fine couche de graphène de se former partout où elle est désirée, une fois le carbure de silicium porté à 1200 degrés (à cette température, le carbure de silicium pur ne forme pas de graphène), respectant ainsi le tracé exact voulu pour le circuit intégré, tracé esquissé par le crayon ionique.
Croissance sélective à plus faible température
L’utilisation de cette technique par l’équipe de l’université de Floride a permis à de créer, avec succès, des nanofils de graphène, et ce à plusieurs reprises. En affinant encore cette technique, les scientifiques espèrent pouvoir faciliter la formation et la croissance sélective du matériau miracle, mais à des températures encore moins élevées. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication dans le journal de l’Institut Américain de Physique, « Applied Physics Letters ».
Par Moonzur Rahman
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