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Électronique pratique à nanotubes
Les nanotubes de carbone sont un matériau prometteur pour la fabrication de circuits de contrôle d'affichage, car ils sont plus efficaces que le silicium et peuvent être disposés sur des surfaces flexibles. Jusqu'à récemment, cependant, transformer des nanotubes en transistors était un processus laborieux. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Californie du Sud ont démontré de grands réseaux fonctionnels de transistors fabriqués à l'aide de méthodes simples à partir de lots de nanotubes de carbone relativement impurs.
Réseau de nanotubes : Cette photo montre une plaquette de silicium de trois pouces recouverte d'un réseau de transistors à nanotubes de carbone. Bien que ces transistors aient été fabriqués à l'aide de processus simples à température ambiante, leurs performances sont suffisamment bonnes pour piloter les pixels d'affichage.
Les pixels d'un écran d'ordinateur ou de télévision, qu'il s'agisse d'un écran LCD ou plasma, sont chacun contrôlés par plusieurs transistors. Dans les appareils d'aujourd'hui, ces transistors sont en silicium. Les matrices de ces transistors doivent être fabriquées à haute température et sous vide, elles sont donc très chères, dit Chongwu Zhou , professeur agrégé de génie électrique à l'USC et chercheur sur le projet de nanotubes.
Des transistors ont également été fabriqués à partir de nanotubes de carbone, mais cela aussi présente des défis. De nombreuses personnes utilisent un nanotube pour fabriquer un très petit transistor hautes performances destiné aux puces informatiques, explique Zhou. Mais ce rapport un à un ne fonctionnera pas pour les écrans, dans lesquels une grande surface doit être recouverte de transistors. Si nous utilisons un nanotube pour un transistor, le rendement ne sera jamais assez élevé pour fonctionner pour la fabrication à grande échelle de grands écrans, dit-il. Zhou pense que son approche résoudra ce problème en fabriquant des transistors plus gros à partir de tapis de nanotubes.
Les chercheurs de l'USC fabriquent de grands réseaux de transistors à nanotubes de carbone en utilisant des techniques de traitement de solution à température ambiante. Ils commencent par placer une plaquette de silicium dans un bain chimique pour enduire sa surface d'un produit chimique attirant les nanotubes, puis rincer le résidu. La plaquette traitée est ensuite immergée dans une solution de nanotubes de carbone semi-conducteurs, qui sont attirés à sa surface. La plaquette, maintenant recouverte d'un tapis de nanotubes, est à nouveau rincée. Pour fabriquer des transistors à partir de ce gâchis enchevêtré, les chercheurs ont posé des électrodes métalliques à des endroits sélectionnés. Les électrodes définissent l'emplacement de chaque transistor et transportent des électrons dans et hors des nanotubes qui se trouvent entre eux. Des zones de silicium sous-jacentes à chaque dispositif agissent comme les grilles des transistors. Jusqu'à présent, ils ont construit un prototype de dispositif sur une plaquette de silicium de quatre pouces et l'ont utilisé pour contrôler un simple affichage à diodes électroluminescentes organiques. Ce travail est décrit en ligne dans la revue Lettres nano .
D'autres chercheurs ont fabriqué des transistors à partir de tapis de nanotubes en utilisant le traitement en solution, mais ces projets ont commencé à partir de mélanges de nanotubes conducteurs et semi-conducteurs, conduisant à des performances très médiocres. Et à la fin de l'année dernière, des chercheurs d'IBM et de la Northwestern University ont utilisé des nanotubes semi-conducteurs hautement purifiés pour fabriquer des réseaux de transistors plus performants dans lesquels tous les nanotubes s'alignent en lignes presque droites, ce qui améliore leurs propriétés électriques.
L'importance des travaux de l'USC est qu'ils montrent que les matrices constituées de seulement 95% de nanotubes semi-conducteurs qui ne sont pas alignés ont encore des performances suffisantes pour les écrans, explique Zhou.
C'est la première fois que quelqu'un montre des tubes semi-conducteurs purifiés déposés en solution pour des transistors de haute qualité, dit John Rogers , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. L'accomplissement réside dans l'intégration de plusieurs approches prometteuses pour démontrer une séquence complète pour la fabrication de l'électronique.
Maintenant que son groupe a démontré la faisabilité de ces techniques, dit Zhou, il travaille à la construction d'un écran LED organique véritablement intégré, flexible et transparent. Un tel écran peut être enroulé pour tenir dans une poche ou monté sur un pare-brise de voiture pour afficher des informations au conducteur. La première étape consiste à éliminer le silicium rigide. Étant donné que les nanotubes peuvent être déposés à température ambiante, les chercheurs de l'USC peuvent les construire sur des feuilles de plastique électriquement actives qui ne tolèrent pas les températures élevées. Ils s'efforcent également de remplacer les électrodes métalliques rigides par un revêtement d'oxyde d'indium et d'étain, un matériau d'électrode transparent, flexible et couramment utilisé. Dans leur prototype, les pixels LED organiques sont connectés au réseau de transistors par des fils ; pour les intégrer, ils devront trouver des méthodes pour construire les LED au-dessus du circuit de commande.
Zhou dit qu'il discute avec des sociétés d'affichage de la commercialisation de ces méthodes. Le géant coréen de l'affichage LG a manifesté son intérêt pour l'électronique à nanotubes de carbone, et les chercheurs d'IBM ont publié des publications sur le sujet. Cependant, la seule entreprise à proposer un produit électronique à nanotubes à ce jour est la startup de Menlo Park, en Californie. Unidym , qui fabrique des électrodes à partir du matériau.
Les chercheurs dans le domaine parlent d'écrans à nanotubes depuis des années, et le hold-up, dit Marc Hersam de l'Université Northwestern, a été le manque d'approvisionnement suffisant en nanotubes de carbone semi-conducteurs. En 2006, le professeur de science des matériaux Hersam a développé une méthode simple de purification des nanotubes basée sur leurs propriétés en les centrifugant dans une solution savonneuse. Il a ensuite fondé une société, appelée NanoIntegris , qui a fourni des nanotubes semi-conducteurs à des groupes tels que Zhou et l'équipe de recherche d'IBM. Une société nouvellement créée en Chine et une au Japon fournissent également les nanotubes semi-conducteurs nécessaires à la fabrication de réseaux de transistors pour contrôler les écrans.
Avec cet approvisionnement en place, dit Hersam, ce n'est qu'une question de temps avant qu'une entreprise ne propose un produit, qu'il soit fabriqué à l'aide d'une méthode comme celle de Zhou ou d'une autre. Je suis convaincu qu'il y aura une suite de produits dans un avenir prévisible, déclare Hersam. Il s'agit de passer du prototypage au marché.