Le graphène met les nanomatériaux à leur place

Les nanomatériaux offrent des propriétés optiques et électriques uniques et une intégration ascendante dans les processus de fabrication de semi-conducteurs industriels. Cependant, ils présentent également l'un des problèmes de recherche les plus difficiles. Essentiellement, la fabrication de semi-conducteurs manque aujourd'hui de méthodes pour déposer des nanomatériaux à des emplacements de puce prédéfinis sans contamination chimique. Nous pensons que le graphène, l'un des matériaux les plus minces, les plus résistants, les plus flexibles et les plus conducteurs de la planète, pourrait aider à résoudre ce défi de fabrication.

Notre équipe, le groupe Technologie et science industrielles d'IBM Research-Brésil, se concentre sur la construction, l'application et l'adoption de nanomatériaux (d'une taille d'un millionième de millimètre) pour des applications industrielles à grande échelle. Jusqu'à il y a environ 30 ans, il n'était pas possible de voir et de manipuler des atomes et des molécules isolés. Avec le développement de nouvelles techniques, nous pouvons commencer à expérimenter et à théoriser sur l'impact du comportement d'un matériau à l'échelle nanométrique.

Dans notre nouvel article, « Placement de nanomatériaux activé et dirigé à partir d'une solution pour l'intégration de dispositifs à grande échelle », publié dans Nature Communications, nous et nos partenaires de collaboration académique avons prouvé pour la première fois qu'il est possible d'électrifier le graphène afin qu'il dépose du matériau à n'importe quel endroit souhaité sur une surface solide avec un taux de participation presque parfait de 97{ccf696850f4de51e8cea028aa388d2d2d2eef894571ad33a4aa3b26b43009887}. L'utilisation du graphène de cette manière permet l'intégration de nanomatériaux à l'échelle d'une plaquette et avec une précision nanométrique.

Non seulement il est possible de déposer du matériau à un emplacement spécifique à l'échelle nanométrique, mais nous avons également signalé que cela peut être fait en parallèle, sur plusieurs sites de dépôt, ce qui signifie qu'il est possible d'intégrer des nanomatériaux à l'échelle de la masse. Ce travail a été breveté [US9412815B2].

Rendu artistique du placement assisté par champ électrique de matériaux nanométriques entre des paires d'électrodes de graphène opposées structurées en une grande couche de graphène située au-dessus d'un substrat solide. Les points quantiques (rouges), les nanotubes de carbone (gris) et les nanofeuillets de bisulfure de molybdène (blanc/gris) sont présentés comme des nanomatériaux 0D, 1D et 2D représentatifs qui peuvent être assemblés à grande échelle sur la base du graphène assisté par champ électrique méthode de placement.

Le graphène est le matériau le plus fin capable de conduire l'électricité et de propager des champs électriques. Les champs électriques sont ce que nous utilisons pour placer des nanomatériaux sur une feuille de graphène :la forme et le motif du graphène (que nous concevons) déterminent où les nanomatériaux sont placés. Cela offre un niveau de précision sans précédent pour la construction de nanomatériaux. Aujourd'hui, cette approche se fait à l'aide de matériaux standards, majoritairement des métaux comme le cuivre. Mais le défi se pose car il est presque impossible d'éliminer le cuivre des nanomatériaux une fois ceux-ci assemblés, sans affecter les performances ou détruire complètement le nanomatériau. Le graphène nous donne non seulement une précision dans le placement des nanomatériaux, mais est facilement amovible du nanomatériau assemblé.

Surtout, la méthode fonctionne quelle que soit la forme du nanomatériau, par exemple, avec des points quantiques, des nanotubes et des nanofeuilles bidimensionnelles. Nous avons utilisé cette méthode pour construire des transistors fonctionnels et tester leurs performances. En plus de l'électronique intégrée, la méthode peut être utilisée pour la manipulation et le piégeage des particules dans la technologie de laboratoire sur puce (microfluidique) [US20170292934A1].

Les progrès réalisés dans l'utilisation du graphène pour le placement de nanomatériaux pourraient être utilisés pour créer des panneaux solaires de nouvelle génération, des puces plus rapides dans les téléphones portables et les tablettes, ou des dispositifs quantiques exploratoires, comme un émetteur ou un détecteur de lumière quantique sur puce à commande électrique. Un tel appareil est capable d'émettre ou de détecter des photons uniques, condition préalable à une communication sécurisée.

Des preuves telles que cette recherche publiée suggèrent que le graphène pourrait permettre l'intégration de nanomatériaux que les matériaux standard (utilisés aujourd'hui) ne sont pas en mesure de faire. Cela pourrait ouvrir la voie à son inclusion dans la fabrication de produits électroniques à l'échelle industrielle, qui est un objectif clé de l'un des efforts de recherche les plus ambitieux au monde, Graphene Flagship. En travaillant avec des partenaires industriels, nous espérons accélérer la génération de connaissances, le développement technologique et l'adoption de cette méthode ascendante pour l'intégration des nanomatériaux.

Placement de nanomatériaux dirigé et activé par le graphène à partir d'une solution pour l'intégration de dispositifs à grande échelle. Communications sur la nature. DOI :10.1038/s41467-018-06604-4.