De minuscules tubes et de fines bandes de carbone sont des candidats prometteurs pour des composants électroniques d’un type nouveau. Des chercheurs de l’Empa ont développé avec des collègues allemands des méthodes permettant de produire de façon ciblée certaines structures de carbone – une étape sur le chemin de la microélectronique à la nanoélectronique.

Des doigtiers faits d’hexagones colorés, tous pointant vers le haut, ornent la couverture de la prestigieuse revue britannique Nature du 7 août 2014: ce sont de parfaits nanotubes de carbone qui symbolisent le succès tant attendu de la recherche. Les physiciens de l’Empa, en collaboration avec des chimistes allemands, ont réussi pour la première fois à produire des nanotubes de carbone avec une structure unique et spécifique – une entreprise que les scientifiques du monde entier poursuivaient sans succès depuis 25 ans. Certes, on arrivait déjà à produire des nanotubes par kilos, mais on obtenait toujours un mélange comprenant jusqu’à 50 types de tubes différents, présentant des propriétés différentes.

Ces petits tubes sont constitués d’un grillage en nid d’abeille fait d’atomes de carbone. Ce matériau est extrêmement stable, ultra léger et flexible. Les tubes à paroi unique présentent un diamètre de l’ordre d’un millionième de millimètre (nanomètre) et se comportent selon les lois de la mécanique quantique. «Selon la façon dont un de ces tubes est enroulé, il conduit l’électricité comme un métal ou comme un semi-conducteur», explique Roman Fasel, chef du laboratoire «nanotech@surfaces» de l’Empa et professeur titulaire à l’Université de Berne. «Si l’on s’intéresse uniquement aux propriétés mécaniques des nanotubes, cela n’a pas d’importance. En revanche, si l’on cherche à construire un circuit électronique, cela joue un rôle décisif.» Pour cet usage, seul un matériau semi-conducteur convient, car un métal provoquerait un court-circuit. 

Des origamis avec des molécule

Il est possible d’extraire les différents types de tubes parmi le mélange obtenu selon la méthode classique, mais aucun des pro cessus complexes et coûteux employés ne fonctionne à 100 %. Il n’est donc pas étonnant que la célèbre revue Nature décrive cette nouvelle méthode comme une «percée remarquable dans la synthèse de nanotubes de carbone à paroi simple». Le matériau de départ pour cette méthode est une molécule plate produite par des chimistes de l’institut Max Planck pour la recherche sur les solides à Stuttgart: un hydrocarbure composé de 150 atomes. A partir de cet objet bidimensionnel, l’équipe de Roman Fasel a formé une structure tridimensionnelle en forme de dôme. «C’est comme un origami», explique le physicien en attrapant une feuille de papier. «Nous avons collé les bords de la molécule ensemble, ce qui nous a ensuite permis de la plier comme un petit capuchon.»

Afin que cette astuce fonctionne, les chercheurs ont dû placer la molécule sur une surface de platine sous vide et la chauffer. De cette façon, l’hydrocarbure a libéré des atomes d’hydrogène au niveau des bords. «C’est ainsi que s’est formée notre colle: des atomes de carbone ’malheureux’ à la recherche d’un partenaire de liaison et qui s’unissent alors avec d’autres atomes de carbone sur le bord», explique Roman Fasel. «Il en résulte des embouts parfaitement identiques les uns aux autres.» Dans un deuxième temps, ces noyaux se développent pour former des tubes. Cette étape requiert un gaz, qui va amener d’autres paires de carbone sur la surface de platine par décomposition catalytique. Ceux-ci viennent alors se fixer sur le bord ouvert, entre l’embout et le métal, laissant ainsi la structure se développer dans le sens de la hauteur comme un doigtier. Etant donné que les noyaux sont identiques, cela crée une variété unique de tubes taillés sur mesure, ce qui est le résultat souhaité.

La plupart des nanotubes grandissent verticalement comme des poils sur une brosse et mesurent de dix à quinze nanomètres. Quelques tubes mesurant jusqu’à 300 nanomètres de longueur restent cependant couchés en travers. Les chercheurs ignorent toujours comment maîtriser cette croissance dans le sens de la longueur. «Nous avons montré que cette méthode fonctionne en principe», déclare le chercheur de l’Empa. Bien qu’il soit possible de cultiver plus de 100 millions de nanotubes par centimètre carré sur la surface de platine, le processus demeure toutefois inefficace. «Nous sommes encore bien loin de la production en série», admet l’expert.

De fins rubans de graphène sur mesures

Mais les nanotubes de carbone à paroi simple ne sont pas les seuls candidats pour des applications électroniques novatrices. Roman Fasel et son équipe travaillent également sur un autre «matériau miracle»: le graphène. Si l’on coupe un nanotube de carbone à paroi simple dans le sens de la longueur et qu’on le lisse, on obtient alors du graphène. Ce matériau consiste donc lui aussi en une couche de carbone en nid d’abeille mesurant seulement un atome d’épaisseur. Le graphène est plus dur que le diamant, extrêmement résistant aux déchirures et est un excellent conducteur. Cependant, pour des applications électroniques, ce matériau présente l’inconvénient de n’être ni un métal, ni un semi-conducteur, mais une sorte d’hybride: un semi-métal, dépourvu de ce que l’on nomme la bande interdite électronique. Les physiciens entendent par là un champ énergétique ne pouvant pas contenir d’électrons.

Contrairement aux métaux, les semi-conducteurs tels que le silicium ou l’arséniure de gallium comportent une bande interdite. Celle-ci est nécessaire lorsque l’on souhaite pouvoir allumer et éteindre un appareil électronique, par exemple si l’on construit un transistor. Avec le graphène, il est possible d’obtenir une bande interdite si l’on dispose le matériau en rubans étroits. «Cela faisait déjà longtemps qu’on le prédisait en théorie», explique Roman Fasel, «mais la difficulté se situe au niveau de la largeur des rubans, qui doivent être vraiment étroits, seulement quelques nanomètres de largeur; de plus, leurs bords ne doivent présenter aucune irrégularité.» C’est pourquoi il est n’est pas possible de se contenter de découper une couche de graphène en rubans étroits. Néanmoins, les chercheurs de l’Empa, en collaboration avec des collègues de l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Mayence, ont réussi en 2010 à produire des rubans étroits de graphène en les construisant spécifiquement à partir de molécules d’hydrocarbures – un peu comme les nanotubes de carbone.

Plus les rubans sont étroits, plus la bande interdite est large. «Voilà pourquoi tout a été mis en œuvre ces dernières années pour affiner le processus de fabrication d’une part et pour améliorer les propriétés des nanorubans de graphène d’autre part», explique Roman Fasel. 2014 a vu une avancée majeure des chercheurs dans ce domaine. Ils sont parvenus à élaborer des structures plus complexes, dans lesquelles les rubans contiennent des segments différents. Le matériau de départ – des molécules dotées d’atomes d’azote à certains endroits – a encore une fois été développé par les chimistes de Mayence, qui l’ont envoyé à Dübendorf. Si l’on alterne les segments dopés à l’azote avec ceux qui en sont dépourvus sur les rubans de graphène, on obtient alors ce que l’on appelle des hétérojonctions. Les chercheurs ont réussi à montrer que leur comportement ressemblait beaucoup aux transitions matérielles observées sur les cristaux semi-conducteurs entre des zones de dopage différent. «Ces jonctions semi-conductrices, dont le dopage passe de positif à négatif, sont présentes dans chaque téléphone portable et dans d’autres appareils électroniques modernes», explique Roman Fasel.

Des capteurs sensibles, des cellules solaires efficaces

Si l’on souhaite fabriquer des composants électroniques avec des nanorubans de graphène à l’avenir, c’est possible à condition de sélectionner les paramètres importants au niveau du dopage de l’azote et de la bande passante. «Maintenant, nous avons deux boutons que nous pouvons actionner», résume le physicien. Mais on est encore loin d’une application pratique de la nano-électronique. Pourtant, la coopération de recherche germano-suisse y travaille avec le groupe chimique BASF. Le partenaire industriel s’est ainsi déjà assuré six brevets qui pourraient s’avérer payants à l’avenir.

Au vu de la sensibilité des nanorubans de graphène à leur environnement, on pourrait envisager de s’en servir un jour pour fabriquer non seulement des transistors, mais aussi des capteurs. Les rubans étroits pourraient également convenir à une utilisation sur des cellules solaires. En effet, ils absorbent si bien la lumière visible qu’il n’en faut que quelques couches pour avaler toute la lumière. «Nous savons cela à travers notre expérience quotidienne», affirme Roman Fasel: «Le graphite est noir, et le graphite n’est rien d’autre qu’un empilage de couches de graphène.» En ajustant la largeur des bandes à la précision d’un atome, on peut même choisir d’absorber la lumière de certaines longueurs d’onde et l’augmenter significativement. Pour l’instant, personne n’est en mesure de prédire si cette technologie réussira à conquérir le marché ces dix prochaines années. L’expert préfère lui aussi s’ab stenir de spéculer: «Pour le moment nous en sommes encore aux recherches fondamentales, et en tout cas, il reste encore beaucoup à faire», dit Roman Fasel.