De meilleurs transistors au graphène

Des chercheurs d'IBM ont découvert un moyen d'améliorer massivement les performances des transistors fabriqués à partir de feuilles de graphène, un matériau carboné bidimensionnel : ils les empilent. En plaçant deux couches de graphène l'une sur l'autre, ils ont découvert qu'elles pouvaient réduire le bruit électrique de l'appareil d'un facteur 10.

Autobus à impériale: Les chercheurs d'IBM ont découvert qu'ils peuvent réduire considérablement le bruit dans les appareils au graphène en empilant deux couches ensemble. Ici, le bruit produit par une seule couche de graphène (à gauche) est comparé à celui de deux couches (à droite).

Les résultats pourraient aider à réaliser des puces à base de graphène qui fonctionnent plus rapidement, sont plus compactes et consomment moins d'énergie que les puces de silicium d'aujourd'hui, dit Yu-Ming Lin , un scientifique au Centre de recherche IBM T. J. Watson , à Yorktown Heights, New York. Les chercheurs d'IBM étudient également d'autres successeurs prometteurs du silicium, tels que les nanotubes de carbone de type graphène. Le graphène, qui est entièrement composé d'atomes de carbone disposés dans une structure en nid d'abeille d'un atome d'épaisseur, possède un certain nombre de propriétés qui le rendent attrayant pour l'électronique, en particulier pour les transistors produisant des signaux radiofréquence. Mais les transistors créés à partir du matériau ont été en proie au bruit, ce qui rend les signaux qu'ils produisent moins qu'idéal pour les communications. La découverte des chercheurs pourrait aider à rendre les transistors au graphène pratiques.

L'industrie des semi-conducteurs est à la recherche de nouveaux matériaux capables de surpasser le silicium, explique Lin. Le graphène est un candidat de choix, dit-il, car pour une tension donnée, le graphène peut transporter un courant beaucoup plus élevé, car les électrons se déplacent simplement plus rapidement dans le graphène que dans le silicium.

Cette mobilité électronique améliorée, généralement de 50 à 500 fois plus rapide que le silicium, permet de traiter plus d'informations avec moins de puissance, permettant des vitesses de commutation extrêmement rapides. Le graphène peut également potentiellement être coupé à des tailles bien plus petites que le silicium, ce qui rend possible des transistors et des puces plus compacts.

Mais il y a un sérieux défi à faire de petits appareils pratiques à partir de graphène, dit Pablo Jarillo-Herrero , chercheur en graphène au MIT. L'un des problèmes majeurs à mesure que les appareils deviennent de plus en plus petits est que le bruit devient de plus en plus gros, dit-il. En effet, les minuscules courants qui traversent les appareils deviennent de plus en plus sensibles aux influences environnementales. Par exemple, des particules chargées dans le substrat à proximité du dispositif peuvent exercer une influence sur le courant traversant le graphène. Cela peut agir comme une barrière au flux de courant, le faisant dévier et brouiller le signal produit.

Mais Lin, travaillant avec son collègue Phaédon Avoris , a découvert que placer deux couches de graphène, l'une au-dessus de l'autre, a la propriété inattendue de réduire considérablement ce problème. Les résultats sont publiés dans le dernier numéro de la revue Lettres nano .

Lin fabrique les couches de graphène en utilisant une approche commune et étonnamment peu technologique, connue sous le nom d'exfoliation mécanique. Nous prenons un morceau de scotch et enlevons une couche d'un morceau de graphite, dit Lin. La structure du graphite est essentiellement la même que celle d'un grand empilement de graphène, et les atomes de carbone ont une tendance naturelle à vouloir rester dans ces couches. Nous répétons donc normalement le processus jusqu'à ce que nous ayons finalement une seule couche, dit-il.

Placé entre deux électrodes sur un substrat d'oxyde, cet arrangement forme un transistor à effet de champ, le bloc de construction de base des puces. La même approche est utilisée avec le transistor à deux couches, seul le processus d'exfoliation est légèrement raccourci, le nombre final de couches de graphène étant déterminé par microscopie à force atomique. Les deux couches conservent leurs propriétés souhaitables de mobilité électronique élevée. Mais maintenant, les courants traversant les deux couches se couplent de sorte que chaque électron est associé à une charge positive, ce qui le maintient effectivement sur la bonne voie, explique Lin. La paire résiste à être déviée par des charges positives et négatives aléatoires dans les matériaux.

Bien que la réduction du bruit dans les transistors au graphène soit une étape importante, d'autres obstacles, tels que la recherche de moyens de fabriquer des transistors au graphène hautes performances en grand nombre, doivent être surmontés avant que ces dispositifs ne soient prêts à être commercialisés.

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