Les transistors au graphène remplissent une triple fonction dans les communications sans fil

Le potentiel du graphène a été reconnu plus tôt ce mois-ci lorsque ceux qui l'ont étudié pour la première fois en laboratoire ont remporté le prix Nobel de physique 2010. Mais les chercheurs commencent tout juste à comprendre comment tirer parti du nouveau matériau de carbone dans les appareils électroniques.

Triple transistor : les transistors en graphène uniques comme celui-ci peuvent fonctionner dans trois modes et exécuter des fonctions qui nécessitent généralement plusieurs transistors dans un circuit.

Des chercheurs ont déjà fabriqué des transistors au graphène extrêmement rapides. Maintenant, ils ont utilisé du graphène pour fabriquer un transistor qui peut être commuté entre trois modes de fonctionnement différents, qui, dans les circuits conventionnels, doivent être exécutés par trois transistors séparés. Ces transistors configurables pourraient conduire à des puces plus compactes pour l'envoi et la réception de signaux sans fil.

Les puces qui utilisent moins de transistors tout en conservant les mêmes fonctions pourraient être moins chères, utiliser moins d'énergie et libérer de l'espace à l'intérieur des appareils électroniques portables comme les téléphones intelligents, où l'espace est restreint. Le nouveau transistor au graphène est un appareil analogique, du type utilisé pour les communications sans fil dans les casques Bluetooth et les étiquettes d'identification par radiofréquence (RFID).

La structure parfaite du graphène au niveau atomique permet aux électrons de naviguer en douceur, et le matériau conduit les électrons mieux que tout autre matériau à température ambiante. Jusqu'à présent, il a été utilisé pour fabriquer des transistors qui commutent à environ 100 gigahertz, soit 100 milliards de fois par seconde, 10 fois plus vite que les meilleurs transistors au silicium ; il est prévu que le matériau pourrait être transformé en transistors qui sont même 1 000 fois plus rapides que cela. Et parce que le graphène est lisse et plat, il devrait être compatible avec l'équipement de fabrication de puces dans les usines de semi-conducteurs.

Mais le graphène offre d'autres propriétés en plus d'être un excellent conducteur d'électrons, dit Kartik Mohanram , professeur de génie électrique et informatique à l'Université Rice. Il est également possible de modifier le comportement d'un transistor au graphène à la volée, ce qui ne peut pas être fait avec les transistors au silicium conventionnels. Les transistors qui composent les circuits logiques au silicium conventionnels ne peuvent se comporter que de deux manières, appelées n pour négatif ou p pour positif - ils contrôlent soit le flux d'électrons, soit le flux de trous, soit des charges positives. Le fait qu'un transistor conventionnel soit de type p ou de type n est déterminé lors de la fabrication. Mais le graphène est ambipolaire : il peut conduire à la fois des charges positives et négatives.

Mohanram a conçu un transistor qui peut être changé, et l'a fabriqué et testé avec Alexandre Balandine , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Californie, Riverside. En modifiant la tension appliquée à une feuille de graphène à l'aide de trois portes électriques, ils pourraient faire basculer le graphène entre trois modes différents : le type n, le type p et un mode où il conduisait une charge positive et négative de manière égale. Ce transistor triple mode agit comme un amplificateur et peut être utilisé pour coder un flux de données en changeant la fréquence et la phase d'un signal. Les changements de phase et de fréquence sont utilisés pour coder les données dans les appareils de télécommunications tels que les casques Bluetooth et les étiquettes RFID.

Le dispositif de Mohanram et Balandin est le premier à pouvoir effectuer ce niveau de traitement du signal dans un seul transistor. Habituellement, une telle signalisation nécessite plusieurs transistors. Leur transistor est un dispositif de preuve de concept, mais Mohanram dit qu'il démontre ce qui pourrait être possible avec le graphène.

D'autres groupes ont démontré des transistors multimodes utilisant du graphène, des nanotubes de carbone et des molécules organiques. Les chercheurs affirment que le nouveau circuit triple mode au graphène peut être mieux contrôlé que ces appareils.

Le contrôle est essentiel lors de la conception de transistors ambipolaires, explique Subhasish Mitra , professeur de génie électrique et d'informatique à l'Université de Stanford. Les gens considéraient l'ambipolarité comme une mauvaise chose car il est généralement difficile de contrôler le comportement d'un transistor ambipolaire, ce qui rend difficile leur utilisation, dit-il.

Mitra note que les avantages montrés au niveau d'un seul transistor doivent maintenant être démontrés dans les systèmes. Les portes électriques nécessaires pour contrôler le comportement des réseaux de transistors ambipolaires pourraient finir par rendre les circuits beaucoup plus difficiles à concevoir et à fabriquer. Maintenant qu'ils ont montré qu'ils pouvaient le faire, nous devons voir quel avantage cela apporte au niveau du système, dit-il.

Balandin et Mohanram travaillent maintenant sur des circuits de graphène pour tester les avantages de l'ambipolarité à un niveau supérieur. Ils modifient également la conception des transistors eux-mêmes pour les rendre plus efficaces.

Personne n'a encore publié d'articles sur la création de circuits intégrés à base de transistors au graphène, mais Balandin dit que les chercheurs sont maintenant sur le point de tout assembler. Alors que les scientifiques des matériaux et les fabricants d'appareils s'efforcent de surmonter les défis liés au travail avec le graphène, explique Mohanram, les concepteurs de circuits doivent suivre leur rythme et réfléchir de manière créative à l'ambipolarité et aux autres possibilités ouvertes par le graphène et d'autres nanomatériaux. De nouvelles conceptions et de nouvelles façons de penser peuvent prendre du retard par rapport au développement de nouveaux matériaux, dit-il.

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