Une meilleure microélectronique à partir du charbon

Le charbon est une ressource abondante aux États-Unis qui, malheureusement, a contribué au changement climatique en raison de son utilisation comme combustible fossile. À mesure que le pays évolue vers d’autres moyens de production d’énergie, il sera important de considérer et de réévaluer le rôle économique du charbon.

Un effort de recherche conjoint de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, du National Energy Technology Laboratory, du Oak Ridge National Laboratory et de la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company a montré comment le charbon peut jouer un rôle essentiel dans les appareils électroniques de nouvelle génération.

“Le charbon est généralement considéré comme quelque chose de volumineux et de sale, mais les techniques de traitement que nous avons développées peuvent le transformer en matériaux de haute pureté de seulement quelques atomes d'épaisseur”, a déclaré Qing Cao, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'I. professeur et co-responsable de la collaboration. “Leurs structures et propriétés atomiques uniques sont idéales pour fabriquer des appareils électroniques parmi les plus petits possibles avec des performances supérieures à l'état de l'art.”

Un processus développé par le NETL convertit d'abord le charbon de bois en disques de carbone à l'échelle nanométrique appelés « points de carbone » dont le groupe de recherche de l'Université d'I. a démontré qu'ils peuvent être connectés pour former des membranes atomiquement minces pour des applications dans les transistors bidimensionnels et les memristors, des technologies qui sera essentiel à la construction d’une électronique plus avancée. Ces résultats sont rapportés dans la revue Ingénierie des communications.

Parfait pour l'électronique 2D

Dans la recherche continue d’une électronique plus petite, plus rapide et plus efficace, la dernière étape sera constituée de dispositifs fabriqués avec des matériaux d’une épaisseur d’un ou deux atomes seulement. Il est impossible que les appareils soient plus petits que cette limite, et leur petite taille les rend souvent beaucoup plus rapides et consomment beaucoup moins d'énergie.

Bien que les semi-conducteurs ultrafins aient été largement étudiés, il est également nécessaire de disposer d’isolants atomiquement minces (des matériaux qui bloquent les courants électriques) pour construire des dispositifs électroniques fonctionnels tels que des transistors et des memristors.

Des couches de carbone atomiquement minces avec des structures atomiques désordonnées peuvent fonctionner comme un excellent isolant pour la construction de dispositifs bidimensionnels. Les chercheurs de la collaboration ont montré que de telles couches de carbone peuvent être formées à partir de points de carbone dérivés du charbon de bois. Pour démontrer leurs capacités, le groupe de l’Université d’I. dirigé par Cao a développé deux exemples de dispositifs bidimensionnels.

“C'est vraiment très excitant car c'est la première fois que le charbon, quelque chose que nous considérons normalement comme de faible technologie, est directement lié à la pointe de la microélectronique”, a déclaré Cao.

Diélectrique de transistor

Le groupe de Cao a utilisé des couches de carbone dérivées du charbon comme diélectrique de grille dans des transistors bidimensionnels construits sur du graphène semi-métal ou du bisulfure de molybdène semi-conducteur pour permettre une vitesse de fonctionnement du dispositif plus de deux fois plus rapide avec une consommation d'énergie inférieure. Comme d’autres matériaux atomiquement minces, les couches de carbone dérivées du charbon ne possèdent pas de « liaisons pendantes » ni d’électrons qui ne sont pas associés à une liaison chimique.

Ces sites, abondants à la surface des isolants tridimensionnels classiques, altèrent leurs propriétés électriques en fonctionnant efficacement comme des « pièges », ralentissant le transport des charges mobiles et donc la vitesse de commutation des transistors.

Cependant, contrairement à d’autres matériaux atomiquement minces, les nouvelles couches de carbone dérivées du charbon sont amorphes, ce qui signifie qu’elles ne possèdent pas de structure cristalline régulière. Ils n'ont donc pas de frontières entre les différentes régions cristallines qui servent de voies de conduction menant à des « fuites », où des courants électriques indésirables circulent à travers l'isolant et provoquent une consommation d'énergie supplémentaire substantielle pendant le fonctionnement du dispositif.

Filament de memristor

Une autre application envisagée par le groupe de Cao est celle des memristors, des composants électroniques capables à la fois de stocker et de fonctionner sur des données pour améliorer considérablement la mise en œuvre de la technologie de l'IA. Ces dispositifs stockent et représentent des données en modulant un filament conducteur formé par des réactions électrochimiques entre une paire d'électrodes avec l'isolant pris en sandwich entre les deux.

Les chercheurs ont découvert que l'adoption de couches ultrafines de carbone dérivées du charbon comme isolant permettait la formation rapide d'un tel filament avec une faible consommation d'énergie pour permettre une vitesse de fonctionnement élevée du dispositif avec une faible puissance. De plus, des anneaux de taille atomique dans ces couches de carbone dérivées du charbon confinent le filament pour améliorer les opérations reproductibles du dispositif et ainsi améliorer la fidélité et la fiabilité du stockage des données.

De la recherche à la production

Les nouveaux dispositifs développés par le groupe Cao fournissent une preuve de principe pour l'utilisation de couches de carbone dérivées du charbon dans des dispositifs bidimensionnels. Reste à montrer que de tels dispositifs peuvent être fabriqués à grande échelle.

“L'industrie des semi-conducteurs, y compris nos collaborateurs de Taiwan Semiconductor, est très intéressée par les capacités des dispositifs bidimensionnels, et nous essayons de tenir cette promesse”, a déclaré Cao. “Au cours des prochaines années, l'Université d'I. continuera à collaborer avec NETL pour développer un processus de fabrication d'isolants en carbone à base de charbon pouvant être mis en œuvre dans des environnements industriels.”