Des chercheurs créent le premier semi-conducteur fonctionnel à base de graphène

Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont créé le premier semi-conducteur fonctionnel au monde fabriqué à partir de graphène, une seule feuille d'atomes de carbone maintenus ensemble par les liaisons les plus fortes connues. Les semi-conducteurs, qui sont des matériaux conducteurs de l’électricité dans des conditions spécifiques, sont des composants fondamentaux des appareils électroniques. La percée de l’équipe ouvre la porte à une nouvelle façon de faire de l’électronique.

Leur découverte intervient à un moment où le silicium, le matériau à partir duquel sont fabriqués presque tous les appareils électroniques modernes, atteint ses limites face à une informatique de plus en plus rapide et à des appareils électroniques de plus en plus petits.

Walter de Heer, professeur de physique à Georgia Tech, a dirigé une équipe de chercheurs basés à Atlanta, en Géorgie, et à Tianjin, en Chine, pour produire un semi-conducteur de graphène compatible avec les méthodes de traitement microélectronique conventionnelles, une nécessité pour toute alternative viable à silicium.

Dans cette dernière recherche, publiée dans Nature, de Heer et son équipe ont surmonté l'obstacle majeur qui tourmentait la recherche sur le graphène depuis des décennies et c'est la raison pour laquelle beaucoup pensaient que l'électronique au graphène ne fonctionnerait jamais. Connue sous le nom de « bande interdite », il s’agit d’une propriété électronique cruciale qui permet aux semi-conducteurs de s’allumer et de s’éteindre. Le graphène n'avait pas de bande interdite jusqu'à présent.

“Nous disposons désormais d'un semi-conducteur en graphène extrêmement robuste, doté d'une mobilité 10 fois supérieure à celle du silicium et possédant également des propriétés uniques non disponibles dans le silicium”, a déclaré de Heer. “Mais l'histoire de notre travail au cours des 10 dernières années a été la suivante : 'Pouvons-nous faire en sorte que ce matériau soit suffisamment bon pour fonctionner ?'”

Un nouveau type de semi-conducteur

De Heer a commencé à explorer les matériaux à base de carbone en tant que semi-conducteurs potentiels au début de sa carrière, puis s'est tourné vers l'exploration du graphène bidimensionnel en 2001. Il savait alors que le graphène avait un potentiel pour l'électronique.

“Nous étions motivés par l'espoir d'introduire trois propriétés spéciales du graphène dans l'électronique”, a-t-il déclaré. “C'est un matériau extrêmement robuste, capable de supporter des courants très importants, et ce, sans chauffer ni s'effondrer.”

De Heer a réalisé une percée lorsque lui et son équipe ont découvert comment cultiver du graphène sur des tranches de carbure de silicium à l'aide de fours spéciaux. Ils ont produit du graphène épitaxial, qui est une couche unique qui se développe sur une face cristalline du carbure de silicium. L’équipe a découvert que lorsqu’il était fabriqué correctement, le graphène épitaxial se liait chimiquement au carbure de silicium et commençait à montrer des propriétés semi-conductrices.

Au cours de la décennie suivante, ils ont persisté à perfectionner le matériau à Georgia Tech, puis en collaboration avec des collègues du Centre international de Tianjin pour les nanoparticules et les nanosystèmes de l'Université de Tianjin en Chine. De Heer a fondé le centre en 2014 avec Lei Ma, directeur du centre et co-auteur de l'article.

Comment ils ont fait

Sous sa forme naturelle, le graphène n’est ni un semi-conducteur ni un métal, mais un semi-métal. Une bande interdite est un matériau qui peut être activé et désactivé lorsqu’un champ électrique lui est appliqué, c’est ainsi que fonctionnent tous les transistors et les composants électroniques au silicium. La question majeure dans la recherche sur l’électronique du graphène était de savoir comment l’allumer et l’éteindre pour qu’il fonctionne comme le silicium.

Mais pour fabriquer un transistor fonctionnel, un matériau semi-conducteur doit être fortement manipulé, ce qui peut endommager ses propriétés. Pour prouver que leur plateforme pouvait fonctionner comme un semi-conducteur viable, l’équipe devait mesurer ses propriétés électroniques sans l’endommager.

Ils ont placé des atomes sur le graphène qui « donnent » des électrons au système – une technique appelée dopage, utilisée pour voir si le matériau était un bon conducteur. Cela a fonctionné sans endommager le matériau ni ses propriétés.

Les mesures de l'équipe ont montré que leur semi-conducteur en graphène a une mobilité 10 fois supérieure à celle du silicium. En d’autres termes, les électrons se déplacent avec une très faible résistance, ce qui, en électronique, se traduit par un calcul plus rapide. “C'est comme conduire sur une route de gravier plutôt que sur une autoroute”, a déclaré de Heer. “C'est plus efficace, ça chauffe moins et cela permet des vitesses plus élevées afin que les électrons puissent se déplacer plus rapidement.”

Le produit de l'équipe est actuellement le seul semi-conducteur bidimensionnel possédant toutes les propriétés nécessaires pour être utilisé en nanoélectronique, et ses propriétés électriques sont de loin supérieures à celles de tous les autres semi-conducteurs 2D actuellement en développement.

“Un problème de longue date dans l'électronique du graphène est que le graphène n'avait pas la bonne bande interdite et ne pouvait pas s'allumer et s'éteindre au bon rapport”, a déclaré Ma. “Au fil des années, beaucoup ont essayé de résoudre ce problème avec diverses méthodes. Notre technologie atteint la bande interdite et constitue une étape cruciale dans la réalisation d'une électronique à base de graphène.”

Avancer

Le graphène épitaxial pourrait provoquer un changement de paradigme dans le domaine de l’électronique et permettre le développement de technologies complètement nouvelles tirant parti de ses propriétés uniques. Le matériau permet d’utiliser les propriétés des ondes de la mécanique quantique des électrons, ce qui est une exigence de l’informatique quantique.

“Notre motivation pour créer de l'électronique au graphène existe depuis longtemps, et le reste ne faisait que concrétiser notre projet”, a déclaré de Heer. “Nous avons dû apprendre à traiter le matériau, à l'améliorer de plus en plus et enfin à mesurer ses propriétés. Cela a pris très, très longtemps.”

Selon de Heer, il n’est pas rare de voir arriver une nouvelle génération d’appareils électroniques. Avant le silicium, il y avait des tubes à vide, et avant cela, il y avait des fils et des télégraphes. Le silicium est l’une des nombreuses étapes de l’histoire de l’électronique, et la prochaine étape pourrait être le graphène.

“Pour moi, c'est comme un moment des frères Wright”, a déclaré de Heer. “Ils ont construit un avion capable de voler à 300 pieds dans les airs. Mais les sceptiques se demandaient pourquoi le monde aurait besoin de voler alors qu'il disposait déjà de trains et de bateaux rapides. Mais ils ont persisté, et ce fut le début d'une technologie capable de transporter les gens à travers les airs. océans.”