Les nano-commutateurs en graphène pourraient rendre nos appareils électroniques encore plus petits

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Il y a de fortes chances que vous possédiez un appareil microélectromécanique, probablement des dizaines d'entre eux. Ces appareils remplissent le monde moderne. Ils rendent possibles les accéléromètres des smartphones, les microphones des ordinateurs portables et les micromiroirs des projecteurs numériques, pour n'en nommer que quelques-uns.

Ils mesurent généralement quelques micromètres, minuscules selon toutes les normes. Mais les scientifiques et les ingénieurs les veulent encore plus petits, à l'échelle du nanomètre, si possible. À cette taille, ces machines peuvent fonctionner comme de simples commutateurs dans des dispositifs logiques et de mémoire, ouvrant la perspective de dispositifs de traitement de données plus puissants et plus efficaces.

Ces micromachines sont généralement taillées dans des puces de silicium. Mais à mesure qu'ils deviennent plus petits, les commutateurs en silicium deviennent moins efficaces car ils perdent du courant lorsqu'ils sont éteints. Une meilleure option est un commutateur au graphène, qui est facile à découper à l'échelle nanométrique et relativement simple à intégrer dans des puces de silicium conventionnelles. Il ne fuit pas non plus lorsqu'il est éteint.

Mais il y a un problème. Lorsque le graphène touche le silicium, il a tendance à coller rapidement. Imaginez un interrupteur composé d'une barre de graphène flexible qui forme un circuit lorsque la barre touche une électrode de silicium. Si la barre colle à l'électrode, elle ne peut plus être éteinte.

Ce problème est connu sous le nom de frottement. Et malgré des investissements financiers importants dans la recherche sur le graphène par les gouvernements du monde entier, personne n'a trouvé de bon moyen de le résoudre.

Entrez Kulothungan Jothiramalingam au Japan Advanced Institute of Science and Technology et ses collègues, qui ont trouvé une solution. En l'utilisant, ils ont créé des dispositifs nanoélectromécaniques à base de graphène qui peuvent agir comme des interrupteurs et même comme des portes logiques.

Leur méthode est simple. Ils recouvrent une puce de silicium de graphène nanocristallin, qui adhère rapidement à la surface. Ensuite, ils le recouvrent d'une couche de silsesquioxane hydrogéné, qui agit comme une réserve et peut être découpé en différentes formes. En plus de cela, ils placent une autre couche de graphène.

L'astuce consiste à sculpter la couche supérieure de graphène en une forme de barre qui est ancrée aux deux extrémités par des électrodes. Ensuite, ils retirent la couche d'hydrogène silsesquioxane sous une partie de la barre de graphène pour la laisser en suspension au-dessus de la couche de graphène.

Plier cette barre est simple. Une différence de potentiel entre les couches crée une force qui plie la barre vers la puce. Lorsqu'il touche cette surface inférieure, il forme un circuit, un processus qui peut être exploité pour la logique et pour le stockage des données.

C'est le commutateur. Et parce que les deux surfaces qui entrent en contact sont toutes deux en graphène, il n'y a pas de frottement. La coupure de la différence de potentiel libère la barre, qui revient dans sa position d'origine.

Jothiramalingam et co ont utilisé cette approche pour construire une variété de nano-commutateurs de preuve de principe, y compris des commutateurs simples et une matrice. Ils disent que les appareils fonctionnent bien avec des basses tensions de seulement 1,5 volts et qu'à l'état éteint, il y a très peu de fuite de courant car les barres de graphène sont bien isolées des autres couches conductrices.

Il y a cependant quelques défis. Par exemple, la forme et la taille du faisceau de graphène et sa distance par rapport à la couche inférieure doivent être optimisées pour obtenir une commutation fiable. Mais cela devrait être un problème d'ingénierie simple.

Une fois que cela est résolu, des dispositifs plus complexes deviennent possibles. L'équipe a conçu une gamme de commutateurs plus complexes comprenant une porte logique ET et un commutateur à trois bornes dans lequel ils placent trois couches de graphène les unes sur les autres, séparées par une couche isolante d'hydrogène silsesquioxane.

C'est un travail intéressant avec le potentiel de rendre les dispositifs nanoélectromécaniques encore plus petits, sur la base de la promesse du matériau miracle qu'est le graphène.

Réf : arxiv.org/abs/1901.07754 : Empilement de graphène nanocristallin pour des applications d'actionneurs nano-électromécaniques (NEM)

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