Électronique quantique

Des défauts " en entaille" dans les nanorubans de graphène bottom-up

25 mai 2021 | CAREY SARGENT
Des scientifiques de l'Empa et de l'EPFL ont identifié un nouveau type de défaut comme étant la source la plus commune de désordre dans les nanorubans de graphène synthétisés à la surface, une nouvelle classe de matériaux à base de carbone qui pourrait s'avérer extrêmement utile dans les dispositifs électroniques de la prochaine génération. Les chercheurs ont identifié la structure atomique de ces défauts dits " en entaille" et ont étudié leur effet sur le transport électronique quantique. Ces types de nanorubans défectueux à bords en zigzag pourraient constituer des plateformes appropriées pour certaines applications en spintronique.
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A gauche : Nanorubans de graphène en zigzag synthétisés par bottom-up et imagés dans un microscope à effet tunnel. À droite : densité de spin aux alentours d'un défaut en entaille dans un nanoruban de graphène aux bords zigzag. Image: Empa / EPFL. Reproduit avec la permission de J. Phys. Chem. Lett. 2021,12, 4692-4696, Copyright 2021 American Chemical Society.

Les nanorubans de graphène (GNR), bandes étroites d'une monocouche de graphène , présentent des propriétés physiques, électriques, thermiques et optiques intéressantes en raison de l'interaction entre leurs structures  atomique et électronique. Ces nouvelles caractéristiques   ont propulsés les GNRs au premier plan pour la recherche de la prochaine génération de nanotechnologies.

Alors que les techniques de fabrication  bottom- up permettent de synthétiser une large gamme de nanorubans de graphène      caractérisés par des géométries de bord, de largeurs    et d' incorporations d'hétéroatomes  très précise , la question de savoir si et dans quelle mesure un désordre structurel est présent dans ces GNRs de précision atomique, , est toujours sujette à débat. La réponse à cette énigme est d'une importance capitale pour toute application potentielle des GNRs. 

La collaboration entre le groupe théorique de la Chaire de physique computationnelle de la matière condensée d'Oleg Yazyev à l'EPFL et le laboratoire expérimental nanotech@surfaces de Roman Fasel à l'Empa a donné lieu à deux articles qui examinent cette question dans les nanorubans de graphène aux  bords   "armchair" et  "zigzag".

"Dans ces deux travaux, nous  nous sommes penchés sur la caractérisation  des  "bite-defects" (défauts en entaille) dans les nanorubans de graphène et leurs implications sur les propriétés des GNRs", explique Gabriela Borin Barin du laboratoire nanotech@surfaces de l'Empa. "Nous avons observé que même si la présence de ces défauts peut perturber le transport électronique des GNRs, ils peuvent aussi produire des courants de polarisation du spin. Ce sont des résultats importants dans le contexte des applications potentielles des GNRs en nanoélectronique et en technologie quantique."

Nanorubans de graphène aux bords armchair

L'article "Quantum electronic transport across "bite" defects in graphene nanoribbons", récemment publié dans 2D Materials,  examine les nanoribbons de graphène  aux bords armchair de 9 atomes de largeur (9-AGNRs). La robustesse mécanique, la stabilité à long terme dans des conditions ambiantes, la facilité de transfert sur  diffèrent substrats , l'extensibilité de la fabrication et la bande interdite appropriée de ces GNRs, en  font l'un des candidats les plus prometteurs pour l'intégration comme canaux actifs dans les transistors à effet de champ (FET). En effet, parmi les dispositifs électroniques à base de nanorubans de graphène réalisés à ce jour, les 9-AGNR-FET affichent les meilleures performances.  

 Le rôle néfaste des défauts sur les dispositifs électroniques est bien connu tels que les  barrières Schottky qui sont des barrières énergétiques potentielles formées aux jonctions métal-semiconducteur. Ces barrières Schottky limitent les performances des GNR-FET actuels et empêchent la caractérisation expérimentale de l'impact des défauts sur les performances du dispositif. Dans l'article de 2D Materials, les chercheurs combinent des approches expérimentales et théoriques pour étudier les défauts dans les GNRs  bottom-up. 

Les microscopies à effet -tunnel et à force atomique ont d'abord permis aux chercheurs d'identifier les anneaux de benzène manquants sur les bords comme un défaut très courant dans le 9-AGNR et d'estimer  la densité et la distribution spatiale de ces imperfections, qu'ils ont baptisées défauts  "en entaille" (bite-defects) Ils ont quantifié la densité et constaté qu'ils ont une forte tendance à s'agréger. Les chercheurs ont ensuite utilisé des calculs depuis les premiers principes pour explorer l'effet de ces défauts sur le transport des charges quantiques, et ont constaté que ces imperfections le perturbent considérablement aux  limites de bande en réduisant la conductance. 

Ces résultats théoriques sont ensuite généralisés de manière systématique à des nanorubans plus larges, ce qui permet aux chercheurs d'établir des lignes directrices pratiques pour minimiser le rôle néfaste de ces défauts sur le transport des charges, une étape essentielle vers la réalisation de nouveaux dispositifs électroniques à base de carbone. 

Nanorubans de graphène aux bords zigzag

Dans l'article "Edge disorder in bottom-up zigzag graphene nanoribbons : implications for magnetism and quantum electronic transport", récemment publié dans The Journal of Physical Chemistry Letters, la même équipe de chercheurs combine des expériences de microscopie à effet tunnel  et des calculs depuis les premiers principes pour examiner le désordre structurel et son effet sur le magnétisme et le transport électronique dans les nanorubans de graphène aux bords zigzag (ZGNR).  

Les ZGNRs sont uniques en raison de leur ordre magnétique non conventionnel sans métal qui, selon les prévisions, est préservé jusqu'à  température ambiante. Ils possèdent des moments magnétiques qui sont couplés ferromagnétiquement le long du bord et antiferromagnétiquement en perpendiculaire    Il a été démontré que les structures électroniques et magnétiques peuvent être modulées dans une large mesure par,  entre autres, le dopage de charge, les champs électriques, les déformations du treillis , ou l'ingénierie des défauts. La combinaison de corrélations magnétiques  ajustables, d'une largeur de bande interdite considérable et de faibles interactions spin-orbite a fait de ces GNRs des candidats prometteurs pour les opérations de logique de spin. L'étude porte spécifiquement sur les nanorubans de graphène à six lignes de zigzag (6-ZGNR), la seule largeur de ZGNR qui ait été obtenue jusqu'à présent par une approche bottom-up.  

Toujours à l'aide de microscopies à effet tunnel et à force atomique, les chercheurs ont d'abord identifié la présence de défauts de lacune  de carbone situés sur les bords des nanorubans, puis ont  déterminé leur structure atomique. Leurs résultats indiquent que chaque lacune  comprend une unité m-xylène manquante, c'est-à-dire un autre défaut " en entaille" qui, comme ceux observés dans les AGNRs, provient de la scission de la liaison C-C qui se produit pendant le processus de cyclodéshydrogénation de la réaction. Les chercheurs estiment que la densité des défauts " en entaille" dans les 6-ZGNRs est plus  large que celle des défauts équivalents dans les AGNRs bottom-up.

L'effet de ces défauts  "en entaille" sur la structure électronique et les propriétés de transport quantique des 6-ZGNRs est à nouveau examiné théoriquement.  Les chercheurs ont découvert que l'introduction du défaut, de manière similaire aux AGNRs, provoque une perturbation significative de la conductance. De plus, dans cette nanostructure, ces défauts non intentionnels induisent un déséquilibre de sous-treillis et de spin, provoquant un moment magnétique local. Ceci, à son tour, donne lieu à un transport de charge polarisé du spin qui rend les nanorubans en zigzag défectueux parfaitement adaptés aux applications de la spintronique logique  en carbone pur dans la limite ultime de  l'extensibilité.  

Une comparaison entre les ZGNRs et les AGNRs de largeur égale montre que le transport à travers les ZGNRs est moins sensible à l'introduction de défauts simples et multiples que  pour les AGNRs. Dans l'ensemble, la recherche fournit une image globale de l'impact de ces défauts " en entaille " sur la structure électronique des nanorubans de graphène bottom-up. Les recherches futures pourraient se concentrer sur l'étude d'autres types de défauts ponctuels observés expérimentalement sur les bords de ces nanorubans. 

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