GRAPHÈNE

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Des électrons sans masse pour l'électronique de demain ?

Les propriétés électroniques du graphène sont, elles aussi, exceptionnelles et prometteuses d'applications. Le graphène n'est ni un métal, ni un semiconducteur. À l'état non dopé, il ne possède pas, à basse température, de porteurs de charge libres de se mouvoir sous l'action d'un champ électrique. Des porteurs mobiles, électrons de charge négative ou trous de charge positive, peuvent cependant être créés par dopage chimique comme dans les semiconducteurs usuels ou par voie électrostatique, en appliquant une tension sur une grille en regard du film de graphène (voir fig. 2a). Les porteurs ainsi créés se comportent comme des particules de masse nulle et présentent des propriétés fondamentales analogues à celles des particules ultrarelativistes (qui se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière), les photons ou les neutrinos par exemple. Leur vitesse, bien que trois cents fois inférieure à celle de la lumière, est plus de dix fois supérieure à celle des électrons dans les semiconducteurs usuels, ce qui donne au graphène des atouts considérables pour l'électronique rapide. Électrons et trous se déplacent par ailleurs très librement dans le réseau cristallin, qui, grâce à la force de la liaison carbone-carbone, présente peu de défauts, principales sources de diffusion des porteurs. De manière plus remarquable, la symétrie du réseau nid d'abeille présente la particularité d'atténuer considérablement l'efficacité des processus de diffusion qui limitent la vitesse effective des porteurs dans un matériau. Ainsi, à température ambiante, la mobilité des porteurs, paramètre qui mesure cette vitesse effective, est, pour le graphène sur silicium ou sur carbure de silicium, jusqu'à cent fois supérieure à celle des semiconducteurs habituels de l'électronique (silicium ou arseniure de gallium). Ces propriétés, associées au contrôle électrostatique de la densité de porteurs du graphène, ont permis la réalisation de transistors hyperfréquence (voir fig. 2b) fonctionnant au delà de 100 gigahertz, ce qui laisse penser [...]

Transistor à base de graphène

Transistor à base de graphène

Dessin

En a, vue d'artiste d'un transistor à base de graphène. La conduction électrique entre drain et source peut être contrôlée en appliquant une tension sur la grille, qui modifie la densité de porteurs mobiles du graphène. (copyright : David Darson, laboratoire Pierre Aigrain). En b,... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Visualisation du graphène: microscope optique

Visualisation du graphène: microscope optique
Crédits : Groupe de physique mésoscopique, laboratoire Pierre Aigrain

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Visualisation du graphène: microscope à effet tunnel

Visualisation du graphène: microscope à effet tunnel
Crédits : Pierre Mallet, Jean-Yves Veuillen, Institut Néel, C.N.R.S., Grenoble).

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Transistor à base de graphène

Transistor à base de graphène
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Visualisation du graphène: structure cristalline

Visualisation du graphène: structure cristalline
Crédits : Groupe de physique mésoscopique, laboratoire Pierre Aigrain

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Écrit par :

  • : professeur à l'École normale supérieure, directeur du laboratoire Pierre-Aigrain
  • : directeur de recherche au C.N.R.S., responsable du groupe Physique mésoscopique, directeur du groupement de recherche physique quantique mésoscopique

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Pour citer l’article

Jean-Marc BERROIR, Bernard PLAÇAIS, « GRAPHÈNE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 05 août 2020. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/graphene/