Le Graphène ouvre la voie à une nouvelle ère électronique
Imaginez une route sans feux de signalisation, où les voitures pourraient circuler librement sans s’arrêter. C’est ainsi que se déplacent les électrons dans le graphène grâce à ce que l’on appelle la « bande interdite nulle », une propriété normalement non désirée.
Le graphène est composé d’une simple couche d’atomes de carbone agencée en un réseau hexagonal. Malgré ses propriétés électriques, thermiques et mécaniques exceptionnelles, le besoin de contrôler la circulation des électrons -tout comme les feux de signalisation régulent le flux des voitures- a entravé son utilisation dans la fabrication de semiconducteurs pour des dispositifs tels que les transistors. Jusqu’à présent, le silicium dominait ce marché en raison de sa « bande interdite », malgré ses autres inconvénients.
Depuis de nombreuses années, les scientifiques cherchent à introduire une bande interdite dans le graphène, en y ajoutant des « feux de signalisation » pour permettre l’arrêt et le démarrage contrôlés des électrons en électronique. Une équipe de recherche de l’Institut de Technologie de Géorgie aux États-Unis affirme avoir réussi cette prouesse, en produisant le premier semiconducteur fonctionnel au monde composé de graphène après avoir surmonté le principal obstacle qui entravait les recherches sur le graphène depuis des décennies, amenant nombreux à croire que l’électronique à base de graphène ne verrait jamais le jour.
Comment les scientifiques ont-ils introduit des « feux de signalisation » dans le graphène?
Dans une étude publiée dans la revue « Nature », les chercheurs ont révélé les détails de leur projet de recherche qui s’est poursuivi pendant 10 ans et s’est conclu avec succès pour doter le graphène d’une « bande interdite ». Cette avancée utilise la technique de « croissance épitaxiale » pour cultiver du graphène sur des plaquettes de carbure de silicium à l’aide de fours spéciaux, aboutissant à la création du graphène épitaxial doté d’une bande interdite.
La « croissance épitaxiale » est une méthode utilisée dans les sciences des matériaux et la fabrication de semi-conducteurs pour déposer une couche cristalline mince sur un substrat d’une manière qui préserve l’alignement structurel entre les atomes de la couche déposée et ceux du substrat. Voici les étapes clés de ce processus:
- Le substrat: Généralement fait de silicium ou d’un autre matériau cristallin.
- La matière première: Introduction d’une matière première pour préparer la couche mince sur le substrat.
- Le processus de dépôt: Utilisation de techniques telles que le dépôt chimique en phase vapeur ou l’épitaxie par jet moléculaire pour déposer la matière première sur le substrat.
- L’alignement avec le substrat: Les atomes ou molécules déposés s’organisent d’une manière qui reflète la structure cristalline du substrat, une alignement cruciale pour préserver les propriétés du substrat dans la couche mince.
- Une seule couche cristalline: Avec la poursuite du dépôt, une seule couche cristalline de la matière se forme au-dessus du substrat.
Les chercheurs ont réussi à utiliser cette technique pour déposer une couche de graphène de manière à conserver la structure cristalline du substrat de carbure de silicium, résultant en du graphène épitaxial avec des propriétés de semi-conducteur, ce qui le rend compatible avec les techniques traditionnelles de traitement de micro-électronique et adapté pour des applications électroniques.
Vers une informatique plus rapide et plus efficace
Après cette réussite, les chercheurs ont utilisé une technique appelée « dopage » pour étudier le comportement électronique du nouveau matériau graphène. Cette technique consiste à introduire des atomes spécifiques dans le matériau de graphène; ces atomes « donnent » des électrons, et avec l’ajout de ces atomes donneurs, les chercheurs peuvent mesurer les propriétés électroniques du graphène sans endommager sa structure.
Les atomes ajoutés ont permis aux chercheurs d’évaluer si le semi-conducteur en graphène pouvait effectivement conduire l’électricité, un aspect crucial pour son utilisation dans les dispositifs électroniques.
Selon l’étude, les semi-conducteurs en graphène ont montré une mobilité dix fois supérieure à celle du silicium, permettant aux électrons de se déplacer plus rapidement et avec moins de résistance, rendant ainsi l’informatique plus rapide et plus efficace.
Cette avancée pourrait marquer un tournant dans l’électronique, et il est possible que le graphène remplace le silicium dans les dispositifs électroniques futurs.
Le professeur Walt de Heer de la Faculté de Physique de l’Institut de Technologie de Géorgie, chercheur principal de l’étude, compare l’impact potentiel de l’électronique en graphène avec les transitions historiques dans les technologies électroniques, comme le passage des tubes à vide au silicium.
De Heer déclare dans une communication officielle de l’Institut de Technologie de Géorgie : « Cette réalisation que nous avons atteinte représente un moment significatif en technologie comparable au premier vol réussi des frères Wright. Ils ont construit un avion qui pouvait voler sur 300 pieds dans les airs, mais les sceptiques ont demandé : pourquoi le monde aurait-il besoin de voler alors qu’il dispose déjà de trains et de bateaux rapides ? Cependant, ils ont persisté, et ce fut le début de la technologie permettant aux gens de voyager à travers les océans. »
De Heer croit que le graphène pourrait symboliser la prochaine génération de l’électronique en raison de ses propriétés uniques qui pourraient rendre l’informatique plus rapide et plus efficace.
Un point de départ vers une nouvelle ère de vitesse
Cette percée suscite plusieurs questions essentielles :
- Comment le « carbure de silicium » a aidé le graphène à surmonter le défi associé à l’absence de « bande interdite », une propriété cruciale pour activer et désactiver les dispositifs à base de semi-conducteurs ?
- En quoi la méthode utilisée par les chercheurs pour cultiver le graphène sur les plaquettes de carbure de silicium diffère-t-elle des tentatives précédentes de créer des semi-conducteurs à base de graphène ?
- Quelles sont les limitations du silicium dans le contexte actuel de l’électronique qui poussent à la recherche de matériaux alternatifs comme le graphène ?
- Qu’est-ce qui rend les semi-conducteurs en graphène uniques par rapport au silicium, notamment en ce qui concerne leur capacité à conduire, transporter et dissiper la chaleur ?
- Quels défis le graphène pourrait-il rencontrer en élargissant l’idée à une utilisation pratique dans l’électronique nanométrique ?
« Al Jazeera Net » a présenté ces questions au professeur De Heer par courriel. Pour le premier point, il a indiqué que la liaison chimique du graphène avec le carbure de silicium modifie la structure électronique du graphène et lui confère la « bande interdite » nécessaire en électronique.
En ce qui concerne le deuxième point, il a mentionné des tentatives antérieures de modification chimique du graphène par réaction avec l’hydrogène, par exemple, mais cela a entraîné un semi-conducteur de mauvaise qualité et inutile pour l’électronique. Leur réalisation se distingue en ce qu’elle a produit des caractéristiques qui surpassent le matériau le plus couramment utilisé, le silicium.
Concernant la troisième question, il a identifié trois raisons qui poussent le monde à chercher une alternative au silicium :
- Le silicium ne permet pas de réduire davantage la taille des dispositifs.
- La chaleur générée dans les dispositifs en silicium devient excessive.
- Il n’est pas possible d’augmenter davantage la vitesse des processeurs dans les dispositifs en silicium.
Pour ce qui est de la quatrième question sur les avantages des semi-conducteurs à base de graphène par rapport au silicium, il a souligné que le graphène est un matériau plat exceptionnel avec des liaisons fortes qui peuvent être manipulées à la plus petite échelle, et qu’il pourrait fonctionner aussi bien comme semi-conducteur que comme métal, utilisant ses propriétés uniques pour créer des dispositifs électroniques plus rapides, plus fins et peut-être meilleurs que ceux actuellement utilisés avec le silicium.
Enfin, en réponse à la cinquième question, il a admis que ce qu’ils avaient accompli n’était qu’un point de départ vers un monde électronique beaucoup plus petit et beaucoup plus performant, insistant sur le fait qu’au moins une décennie de recherche supplémentaire serait nécessaire pour produire des électroniques nanométriques commerciales de haute qualité basées sur le graphène.