Le graphène permet un placement précis des nanomatériaux pour l'intégration industrielle de dispositifs

Les nanomatériaux offrent des caractéristiques optiques et électriques inégalées et promettent une intégration « bottom-up » dans la fabrication de semi-conducteurs grand public. Pourtant, le dépôt précis et sans contamination sur des sites de puce désignés reste un obstacle majeur. Le graphène — exceptionnellement fin, robuste, flexible et hautement conducteur — offre une solution transformatrice.

Au sein du groupe Industrial Technology and Science d'IBM Research au Brésil, nous développons, appliquons et mettons à l'échelle des nanomatériaux — des particules un millionième de millimètre — pour une utilisation en production de masse. Il y a trois décennies, observer et manipuler des atomes uniques était impossible ; les techniques modernes permettent désormais de sonder et de modéliser le comportement à l'échelle nanométrique.

Dans notre nouvel article, « Graphene‑enabled and directed nanomaterial placement from solution for large‑scale device integration », publié dans Nature Communications, nous et nos collaborateurs académiques avons prouvé pour la première fois qu'il est possible d'électrifier le graphène afin qu'il dépose du matériau à n'importe quel emplacement souhaité sur une surface solide avec un rendement quasi parfait de 97 %.

L'utilisation du graphène de cette manière permet l'intégration de nanomatériaux à l'échelle du wafer avec une précision nanométrique. Non seulement nous pouvons déposer du matériau à un emplacement nanométrique spécifique, mais nous avons également démontré que cela peut être réalisé en parallèle sur plusieurs sites — permettant une intégration à grande échelle. Ce travail a été breveté (US9412815B2).

Rendu artistique du placement de nanomatériaux assisté par champ électrique entre des paires d'électrodes de graphène opposées structurées dans une grande couche de graphène située au-dessus d'un substrat solide. Points quantiques (rouge), nanotubes de carbone (gris) et nanofeuilles de disulfure de molybdène (blanc/gris) sont présentés comme exemples représentatifs de nanomatériaux 0D, 1D et 2D qui peuvent être assemblés à grande échelle grâce à la méthode de placement assistée par champ électrique basée sur le graphène.

Le graphène est le matériau conducteur le plus fin capable de supporter des champs électriques. Nous exploitons ces champs pour guider les nanomatériaux sur une feuille de graphène : la forme et le motif conçus de l'électrode de graphène dictent le placement final. Cela offre une précision sans précédent pour la construction de nanomatériaux. Les méthodes traditionnelles reposent sur des métaux comme le cuivre, mais le cuivre ne peut pas être éliminé proprement après l'assemblage, compromettant les performances ou détruisant le nanomatériau. Le graphène offre à la fois précision et retrait facile.

La méthode fonctionne quelle que soit la géométrie du nanomatériau — points quantiques, nanotubes de carbone, nanofeuilles bidimensionnelles, etc. Nous avons fabriqué des transistors fonctionnels et évalué leurs performances. Au-delà de l'électronique, la technique peut s'appliquer à la manipulation et au piégeage de particules dans la microfluidique lab-on-a-chip (US20170292934A1).

Les avancées dans le placement de nanomatériaux basé sur le graphène pourraient permettre les cellules solaires de nouvelle génération, des processeurs plus rapides pour smartphones et tablettes, et des dispositifs quantiques tels que des émetteurs ou détecteurs de lumière quantique contrôlés électriquement sur puce. De tels dispositifs peuvent émettre ou détecter des photons uniques, essentiels pour la communication quantique sécurisée.

Les résultats de notre recherche indiquent que le graphène peut intégrer des nanomatériaux d'une manière que les matériaux standards ne peuvent pas, ouvrant la voie à la fabrication électronique à l'échelle industrielle — un objectif de l'initiative ambitieuse Graphene Flagship. En s'associant à l'industrie, nous visons à accélérer la génération de connaissances, le développement technologique et l'adoption de cette méthode d'intégration bottom-up.

Graphene‑enabled and directed nanomaterial placement from solution for large‑scale device integration. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-018-06604-4.