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Un pas vers une mémoire carbone ultra-rapide
Le graphène, une feuille plate d'atomes de carbone disposés de manière hexagonale, peut transporter des électrons très rapidement. Cela en a fait un matériau prometteur pour les circuits logiques à haute fréquence radio, les électrodes transparentes pour les écrans plats flexibles et les électrodes à grande surface pour les ultracondensateurs.
Des uns et des zéros : En déposant un matériau ferroélectrique sur le graphène, les chercheurs ont amené le graphène à conserver deux niveaux différents de conductivité électrique, qui pourraient servir de bits 1 et 0 dans la mémoire de l'ordinateur.
Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université nationale de Singapour ont fabriqué des dispositifs de mémoire informatique à l'aide de graphène. C'est le premier pas vers une mémoire qui pourrait être beaucoup plus dense et plus rapide que la mémoire magnétique utilisée dans les disques durs d'aujourd'hui. Les chercheurs ont fabriqué des centaines de prototypes de dispositifs de mémoire au graphène, et ils fonctionnent de manière fiable, selon Barbaros Ozyilmaz , le professeur de physique qui a dirigé les travaux présentés lors d'une récente réunion de l'American Physical Society à Pittsburgh. Le graphène va changer l'industrie électronique, dit-il. Ce qui manquait, c'était un moyen d'utiliser le graphène comme élément de mémoire. Jusqu'à présent, il n'y avait presque aucun intérêt parce que ce n'était pas [pensé] faisable.
La clé pour fabriquer des éléments de mémoire est un matériau qui peut avoir deux états différents. En effet, la mémoire de l'ordinateur est stockée sous forme de deux bits : 1 et 0. Les disques durs doivent également être non volatiles, ce qui signifie que le matériel doit pouvoir conserver ces états sans nécessiter d'alimentation. Les disques durs d'aujourd'hui sont constitués d'alliages de cobalt magnétiques, et ils stockent des bits comme l'une des deux orientations magnétiques d'une petite zone sur le disque.
Özyilmaz et ses collègues ont trouvé un moyen simple de faire en sorte que le graphène conserve ses deux niveaux différents de conductivité ou de résistance. La commutation entre ces niveaux nécessite l'application et la suppression d'un champ électrique. Les chercheurs déposent une fine couche d'un matériau ferroélectrique sur le graphène. Les ferroélectriques ont un champ électrique intrinsèque et l'application d'une tension change la direction du champ. Le champ ferroélectrique aide le graphène à maintenir sa conductivité. Et, explique zyilmaz, nous pouvons modifier la polarisation du ferroélectrique, ce qui modifie à son tour la conductivité du graphène.
La nouvelle idée de mémoire est passionnante car elle est très simple, dit André Geim , professeur de physique à l'Université de Manchester, au Royaume-Uni, qui a d'abord isolé des feuilles de graphène à partir de graphite. Les ferroélectriques sont bien connus. On sait également qu'un champ électrique modifie la résistivité du graphène d'un facteur typiquement 10. [Özyilmaz] combine ces deux faits très connus.
La mémoire au graphène aurait des avantages significatifs par rapport à la mémoire magnétique actuelle. Les bits pourraient être lus 30 fois plus rapidement car les électrons se déplacent rapidement à travers le graphène. De plus, la mémoire pourrait être plus dense. Les zones de bits sur les disques durs font actuellement quelques dizaines de nanomètres de diamètre. À des densités de 1 térabit par pouce carré, ils mesureront environ 25 nanomètres de diamètre, trop petits pour maintenir leur direction de magnétisation. Avec le graphène, les bits pourraient rétrécir à 10 nanomètres ou même moins. En fait, les dispositifs de mémoire fonctionneraient mieux avec des zones de graphène plus petites. Des chercheurs de l'Université de Stanford ont montré que couper le graphène en rubans de quelques nanomètres de large améliore la différence entre ses deux états de conductivité.
Les nouveaux prototypes de dispositifs de mémoire, cependant, sont rudimentaires. Les chercheurs de Singapour prennent des flocons de graphène de 2 micromètres de large et les placent sur du silicium. Ensuite, ils déposent des électrodes en or et ajoutent une couche supérieure de ferroélectrique. Özyilmaz dit que le temps de lecture de l'appareil est cinq fois plus rapide que la mémoire magnétique actuelle. Les chercheurs peuvent basculer le graphène entre ses deux conductivités 100 000 fois – les dispositifs de mémoire pratiques passent par des millions de cycles.
Ce n'est pas la première tentative de fabrication de mémoire au graphène. En août 2008 Lettres de périphérique électronique IEEE papier, chercheurs de la société allemande de nanotechnologie AIMER ont décrit des dispositifs qui pouvaient basculer entre deux états de conductivité à l'aide d'un champ électrique. Nous pourrions faire du vélo 20 à 30 fois, mais pas des dizaines de milliers de fois, explique le physicien Max Lemme, auteur principal de l'article. Lemme suppose que les groupes hydroxyle et l'hydrogène attachés à la surface du graphène se détachent lorsque le courant est appliqué, modifiant la conductivité de la feuille. Pourquoi les feuilles de graphène conservent néanmoins leur conductivité lorsque l'alimentation est coupée n'est pas bien comprise.
Geim, qui a participé aux travaux de l'AMO, explique que lorsqu'on ne connaît pas le mécanisme, il est difficile de juger si on peut en principe fiabiliser ce mécanisme pour qu'il soit reproductible sur de nombreux appareils de manière identique. Avec l'approche des chercheurs de Singapour, cependant, nous connaissons la physique qui la sous-tend et ses limites. Avec des fondamentaux bien connus derrière, cela semble être une très bonne idée.