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Une percée dans les transistors à nanotubes
Le contrôle de la croissance des nanotubes de carbone sur de grandes surfaces est essentiel pour fabriquer des transistors avec des sorties de courant suffisantes et des propriétés cohérentes pour une utilisation dans les circuits électroniques. Dans une avancée significative vers une telle électronique à base de nanotubes, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana Champaign (UIUC) ont développé des rangées de nanotubes de carbone parfaitement alignés sur du cristal de quartz et ont utilisé ces réseaux pour fabriquer des transistors. Les électrodes de ces transistors bordent les rangées de nanotubes de sorte que des milliers de nanotubes relient les électrodes, augmentant le courant.
Transistors à tubes : Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana Champaign ont mis au point une technique pour faire croître des milliers de nanotubes de carbone (représentés en bleu et blanc sur cette micrographie électronique à balayage colorisée). Les chercheurs déposent des électrodes (en or) sur les deux côtés des réseaux de nanotubes pour créer des transistors dotés de centaines de nanotubes reliant les électrodes.
Dans un Nature Nanotechnologie papier, les chercheurs, dirigés par John Rogers , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UIUC, ont démontré des transistors fabriqués avec environ 2 000 nanotubes, qui peuvent transporter des courants d'un ampère à des milliers de fois plus que le courant possible avec des nanotubes uniques. Les chercheurs ont également développé une technique pour transférer les réseaux de nanotubes sur n'importe quel substrat, y compris le silicium, le plastique et le verre.
Les transistors à nanotubes pourraient être utilisés dans des écrans flexibles et du papier électronique. Étant donné que les nanotubes de carbone peuvent transporter du courant à des vitesses beaucoup plus élevées que le silicium, les dispositifs pourraient également être utilisés dans des systèmes de communication à haute vitesse par radiofréquence (RF) et des étiquettes d'identification. En fait, l'équipe de recherche travaille avec Northrop Grumman pour utiliser la technologie dans les appareils de communication RF, dit Rogers.
Jusqu'à présent, fabriquer des transistors avec plusieurs nanotubes de carbone signifiait déposer des électrodes sur des couches en forme de maille de nanotubes de carbone non alignés, explique Rogers. Mais comme les nanotubes de carbone disposés de manière aléatoire se croisent, à chaque croisement, les charges en circulation font face à une résistance, ce qui réduit le courant du dispositif. Le réseau parfaitement aligné résout ce problème car il n'y a absolument aucune jonction de chevauchement tube-tube, dit Rogers.
L'équipe de recherche fabrique les réseaux en modelant de fines bandes d'un catalyseur de fer sur des cristaux de quartz, puis en faisant croître des nanotubes de carbone nanométriques le long de ces bandes à l'aide d'un dépôt conventionnel en phase vapeur de carbone. Le cristal de quartz aligne les nanotubes. Ensuite, les chercheurs peuvent fabriquer des transistors en déposant des électrodes de source, de drain et de grille en utilisant la photolithographie conventionnelle.
Les chercheurs n'ont pas été en mesure de développer des réseaux de nanotubes bien alignés jusqu'à présent, selon Robert Hauge , un professeur de chimie qui étudie les nanotubes de carbone à l'Université Rice. En effet, l'alignement n'est plus un obstacle, dit Ali Javey , professeur adjoint de génie électrique et d'informatique à l'Université de Californie à Berkeley.
Faire un réseau bien ordonné dans lequel des nanotubes parallèles sont connectés entre les électrodes de source et de drain est une grande réussite, dit Richard Martel , professeur de chimie à l'Université de Montréal. Le nouveau travail permet une véritable comparaison entre les transistors à nanotubes et les transistors au silicium, car un réseau de nanotubes donne une structure plane similaire aux dispositifs au silicium, dit-il. Ils ont fait exactement ce qui devait être fait, et c'est une étape importante.
Les chercheurs ont fabriqué et testé des centaines de transistors à nanotubes, et ils ont découvert que les dispositifs ont des propriétés électriques cohérentes, même si la propriété de chaque nanotube dans un dispositif peut varier légèrement. Il y a un si grand nombre de tubes opérationnels dans chaque appareil qu'il y a un effet de moyenne statistique, dit Rogers.
De plus, les propriétés des nanotubes ne changent pas même s'ils sont transférés sur des plastiques ou d'autres substrats. [Les] tubes sont physiquement soulevés du quartz, puis imprimés sur le substrat cible afin que cela ne perturbe pas la position et l'orientation des nanotubes, explique Rogers. En raison de ce processus de transfert, il dit que les réseaux pourraient être intégrés à la fabrication de silicium pour créer des circuits avec des nanotubes et des dispositifs au silicium interconnectés – les dispositifs à nanotubes pourraient gérer les opérations à grande vitesse du circuit. Pour fabriquer une telle puce, il suffirait de transférer les réseaux de nanotubes sur la plaquette de silicium au début de la fabrication. Une fois cela fait, on pourrait ajouter des dispositifs au silicium. Vous ne les considérez même pas comme des tubes, dit Roger. En effet, il s'agit d'un substrat uniforme à couche mince, et vous ne faites que votre traitement.
Pour l'instant, les nouveaux transistors seront utiles pour les circuits électroniques plus grands tels que ceux des écrans flexibles et des puces RF, mais pour être utilisés dans l'électronique haute performance comme les puces informatiques, les dispositifs ont besoin d'une structure et d'une géométrie bien meilleures, explique Javey. Par exemple, les dispositifs devraient être beaucoup plus petits qu'ils ne le sont actuellement : les transistors mesurent actuellement des dizaines de micromètres de long et de large.
Pour fabriquer des appareils plus petits, l'équipe UIUC travaille à rendre les baies plus denses. À l'heure actuelle, la distance entre les tubes adjacents est de 100 nanomètres, mais théoriquement, cette séparation pourrait descendre à un seul nanomètre sans affecter les propriétés électriques, explique Martel.
Un autre domaine clé qui nécessite du travail est de trouver un moyen efficace de fabriquer des appareils avec uniquement des nanotubes semi-conducteurs, dit Rogers. En règle générale, un tiers des nanotubes d'un lot cultivé sont métalliques, ce qui provoque le passage d'un faible courant à travers un transistor même lorsqu'il est éteint. Les chercheurs utilisent une astuce courante pour se débarrasser des tubes métalliques : éteindre un transistor et appliquer une haute tension qui souffle les tubes métalliques. Mais pour fabriquer des transistors de bonne qualité à plus grande échelle, ils devraient trouver un meilleur moyen de se débarrasser des tubes métalliques ou de faire pousser de manière sélective des tubes semi-conducteurs. C'est, selon Javey, la dernière grande clé pour fabriquer de l'électronique à nanotubes.