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Des transistors souples en graphène réalisables par impression

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Par publié le à 14h45

Des transistors souples en graphène réalisables par impression

De l'encre conductrice au circuit souple en graphène

Des chercheurs français et américains ont développé un procédé inédit capable de fabriquer des circuits souplesà haute fréquence à partir d’encre de graphène par des techniques d’impression électronique.

Combiner la mobilité électronique exceptionnelle du graphène et son aptitude à réaliser des composants électroniques soupes à bas coût. Tel est le défi relevé par des chercheurs du CEA, du CNRS, de l’Université Lille 1 et de l’Université de Northwestern. Ils ont en effet élaboré un procédé de fabrication de transistors capables de fonctionner à très haute fréquence, en utilisant du graphène manipulé ''en solution'', compatible avec des techniques d'impression électronique. De quoi ouvrir la voie au développement de circuits électroniques intégrés dans les objets du quotidien comme les vêtements. Ces résultats sont publiés dans la revue Nano Letters du 14 mars 2012.

Le graphène, plan unique d’atomes de carbone à structure hexagonale, possède des propriétés exceptionnelles. En particulier, la grande mobilité des électrons dans ce matériau favorise le fonctionnement de composants électroniques à très haute fréquence. Par ailleurs, ses propriétés mécaniques en font un matériau souple. Ces deux avantages pourraient être mis à profit dans la fabrication de composants et de circuits électroniques fexibles destinés à des secteurs variés : développement d’écrans souples, de transistors et de composants électroniques très performants, fabriqués à bas coût.

Actuellement, plusieurs voies de synthèse du graphène existent. L’une d’elles consiste à le produire sous la forme d’une solution de particules de quelques centaines de nanomètres de diamètre, stabilisées dans l'eau par des tensioactifs. Pour obtenir cette "encre conductrice", la voie de synthèse utilisée permet de ne sélectionner que des feuillets monocouches qui assurent des propriétés électroniques remarquables (et non un mélange de graphène monocouche et multicouche). Autre spécificité : la production de composants peut s’effectuer sur des supports très variés tels que du verre, du papier ou encore un substrat organique.

Un support souple en polyimide

Des chercheurs du CEA, du CNRS, de l’Université Lille 1 et de l’Université de Northwestern ont élaboré un procédé inédit de fabrication de transistors flexibles à partir de graphène solubilisé, sur des substrats de polyimide (polymère thermostable). Ils ont ensuite étudié de manière approfondie leurs performances à haute fréquence.

Dans ce procédé, les feuillets de graphène en solution sont déposés sur le substrat sous l'effet d'un champ électrique alternatif appliqué entre des électrodes préalablement fabriquées. Cette technique de diélectrophorèse (DEP) permet de diriger le dépôt du graphène et d'obtenir localement une forte densité de feuillets déposés. Cette densité est cruciale pour obtenir d'excellentes performances à haute fréquence. Ainsi, la mobilité des charges dans les transistors réalisés est de l'ordre de 100 cm²/V.s, ce qui est très supérieur aux performances obtenues avec des molécules ou des polymères semi-conducteurs. Ces transistors atteignent  des fréquences très élevées, de l’ordre de 8 GHz, jusqu’ici jamais obtenues en électronique organique !

Ces résultats montrent que le graphène préparé sous forme "d’encre conductrice" est un matériau particulièrement compétitif pour la réalisation de fonctions électroniques flexibles dans une gamme de hautes fréquences ( totalement inaccessibles aux semi-conducteurs organiques classiquement utilisés. Cette nouvelle génération de transistors ouvre des possibilités importantes dans de nombreux domaines d’applications tels que les écrans souples (pliables ou enroulables), l’électronique intégrée dans des textiles ou des objets du quotidien tels que des étiquettes RFID capables de traiter et de transmettre de l’information.

Ridha Loukil

Référence : Flexible Gigahertz Transistors Derived from Solution-Based Single-Layer Graphene.
Cedric Sire, Florence Ardiaca, Sylvie Lepilliet, Jung-Woo T. Seo, Mark C. Hersam, Gilles Dambrine, Henri Happy, and Vincent Derycke, Nano Letters, Mar/14/2012.

 

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