Rendre les nanomachines à graphène pratiques

De nombreux appareils électroniques grand public d'aujourd'hui reposent sur des machines microscopiques. Ces minuscules appareils se trouvent dans les capteurs de mouvement des smartphones, les têtes d'impression à jet d'encre et les commutateurs qui activent certains pixels d'affichage, pour ne citer que quelques composants.

Fabrication de machines : Une feuille transparente de graphène est étirée sur la surface de cette plaquette de silicium. Le graphène peut osciller sur des trous dans le silicium en dessous, agissant comme un dispositif nanomécanique appelé résonateur.

Réduire ces machines électromécaniques à l'échelle nanométrique permettrait de créer de nouveaux dispositifs, tels que des capteurs chimiques extrêmement sensibles, des accéléromètres incroyablement précis et des commutateurs de circuits intégrés ultra-rapides. Dans une étape importante vers cet objectif, des chercheurs de l'Université Cornell ont fabriqué de grands réseaux de résonateurs à l'échelle nanométrique à l'aide de graphène.

Une forme atomique de carbone appelée graphène fait partie des matériaux les plus prometteurs pour la fabrication de systèmes nanoélectromécaniques (NEMS). Le graphène est le matériau connu le plus résistant et le plus conducteur de l'électricité. La taille atomique du graphène signifie qu'il est également incroyablement léger et peut se déplacer très rapidement. professeur de physique Cornell Paul McEuen dit que le graphène peut être utilisé pour construire un grand nombre de nanodispositifs avec un équipement développé pour graver des puces de silicium sur des plaquettes plates. Mais la construction de nanomachines mécaniques à partir de graphène est un défi, et la plupart des dispositifs créés jusqu'à présent ont été ponctuels.

McEuen et son collègue professeur Cornell Harold Craighead ont maintenant montré qu'ils pouvaient fabriquer des nanodispositifs en graphène appelés résonateurs à la surface d'une plaquette de silicium. Chaque résonateur est constitué d'un film de graphène qui oscille d'avant en arrière, comme un trampoline se déplaçant de haut en bas, en réponse à une force mécanique appliquée à sa surface ou à un champ électrique.

Le groupe Cornell a d'abord gravé des tranchées dans la surface d'une plaquette de silicium. Ils ont ensuite recouvert la plaquette d'un film de graphène cultivé sur du cuivre. Le graphène adhère à la surface de la plaquette de silicium comme le ferait une pellicule plastique. Les chercheurs ajoutent enfin des contacts électriques au graphène pour compléter les résonateurs. Le travail est décrit en ligne dans la revue Lettres nano .

Nous fabriquons un grand nombre de résonateurs identiques, ce qui démontre une transition d'une expérience de laboratoire à une technologie, explique McEuen. Les nanorésonateurs précédents fabriqués à cette échelle étaient soit beaucoup plus épais et moins sensibles, soit ils devaient être fabriqués un à la fois. Les deux principaux obstacles à la mise en œuvre des nanodispositifs sont la mise à l'échelle et la reproductibilité des performances, selon Alex Zettl , professeur de physique à l'Université de Californie à Berkeley. Zettl a fabriqué des dispositifs similaires à partir de nanotubes de carbone, y compris une radio fabriquée à partir d'un seul nanotube de carbone. L'utilisation de graphène monocouche permet de fabriquer de nombreux appareils en une seule fois, avec des performances similaires, explique Zettl.

Les nanorésonateurs en graphène pourraient fabriquer des détecteurs chimiques ou des accéléromètres très sensibles. Les films de graphène en suspension réagissent de manière spectaculaire lorsqu'un poids est ajouté, même juste une molécule ou un atome. Il se couple très fortement au monde extérieur, ce qui en fait un bon capteur, explique McEuen.

Tige Ruoff , professeur de génie mécanique à l'Université du Texas à Austin, qui a été le pionnier de la technique de croissance et de transfert de graphène utilisée par le groupe Cornell, affirme que ce travail démontre que ce type de graphène fonctionne bien dans les systèmes nanomécaniques. Mais Ruoff dit qu'il voit une marge d'amélioration dans les performances des résonateurs.

Les chercheurs de Cornell travaillent maintenant à pousser les résonateurs au graphène à leurs limites de performances ultimes. La structure cristalline du graphène, qui détermine sa résistance et sa conductivité électrique, n'est pas parfaite dans les dispositifs Cornell fabriqués jusqu'à présent.

Les chercheurs espèrent également tirer parti des effets quantiques qui se produisent à l'échelle nanométrique. Cela pourrait améliorer leur sensibilité, dit McEuen.

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