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L’électronique du futur se dessine en deux dimensions

Des chercheurs américains viennent de mettre au point un nouveau matériau susceptible de constituer un transistor en deux dimensions. Un pas de plus vers l’électronique de demain...

Le Dr Tiwari tient dans sa main le support sur lequel ont été réalisées les couches fines d’oxyde d’étain. Les propriétés de ce matériau rendent désormais possible la fabrication de transistors épais de quelques atomes seulement. Ils pourraient remplacer prochainement ceux à base de silicium.© Dan Hixson/University of Utah College of Engineering

La batterie de votre téléphone portable vient de flancher alors que vous l’aviez rechargé le mois dernier à peine ! Pas de panique, branchez-le à votre t-shirt : la chaleur de votre corps et les quelques rayons de soleil matinaux procurent suffisamment d’énergie pour le recharger à bloc en quelques minutes... Certes, ce scénario est aujourd’hui hors de portée, mais il pourrait devenir réel dans un avenir pas si lointain grâce aux composants électroniques en deux dimensions. L’équipe du Dr Tiwari de l’Université de l’Utah, aux États-Unis, vient justement de construire le premier membre d’une nouvelle classe de ces composants. À base d’oxyde d’étain, il complète le répertoire des éléments essentiels à la fabrication de l’électronique grand public de demain.

Transparente, flexible, économe

Les puces à base de silicium dont nous disposons actuellement ont plusieurs limites : elles sont rigides et chauffent lors de leur utilisation, ce qui leur fait perdre en efficacité. La course à la miniaturisation entraîne également des difficultés techniques et des coûts de plus en plus prohibitifs. L’électronique 2D constitue l’une des solutions de remplacement. Celle-ci consiste à utiliser des matériaux dont l’épaisseur ne dépasse pas quelques atomes, c’est-à-dire quelques nanomètres. Leur finesse les rend transparents tout en restant très résistants mécaniquement. Affichant un meilleur rendement, ils contribueront à créer des appareils qui chauffent moins et consomment moins.

Mais les composants électroniques 2D affichent bien d’autres atouts. Outre qu’ils fourniront peut-être les transistors – composants essentiels en électronique – et les mémoires de demain, on leur prévoit un rôle dans le secteur de l’énergie : collecte de la lumière dans des panneaux solaires, catalyseur dans les piles à combustible, ou encore stockage de l’électricité dans des batteries. Enfin, imaginez leur potentiel si l’on superposait plusieurs couches de ces matériaux, et donc plusieurs fonctions ! Cela irait des fenêtres produisant de l’énergie aux textiles intelligents, rechargeant nos appareils portables et mesurant nos paramètres physiologiques...

Dans la lignée du graphène

Le graphène a été le pionnier de ces nouveaux matériaux. Konstantin Novoselov, Andre Geim et leurs collègues ont découvert en 2004 que ce matériau 2D (constitué d’une seule feuille d’atomes de carbone et qui, empilé, forme le graphite de nos crayons à papier) possède des propriétés semi-conductrices nécessaires à la fabrication des transistors. Si cette découverte leur a valu le prix Nobel de Physique en 2010, le graphène reste malgré tout un très mauvais semi-conducteur.

La décennie suivante a vu émerger toute une ribambelle de nouveaux matériaux 2D aux noms très variés et aux propriétés électriques plus adaptées : phosphore noir, dichalcogénures de métaux de transition ou encore oxydes à base de métaux de transition. Les métaux utilisés sont principalement le molybdène ou le tungstène. Le travail de l’équipe de l’Université de l’Utah, publié dans la revue Advanced Electronic Materials, a permis d’ajouter un nouveau métal à cette liste : l’étain.

Tous les composés caractérisés à ce jour n’appartiennent qu’à la classe des semi-conducteurs de type N (la fabrication d’une diode ou d’un transistor nécessite des semi-conducteurs de type N et P). Or le semi-conducteur 2D d’oxyde d’étain est le premier à afficher des propriétés semi-conductrices de type P. « Maintenant, tout est en place : nous avons des semi-conducteurs 2D de type N et P », avance le Dr Tiwari. De quoi constituer des transistors en deux dimensions.

La recherche ne doit cependant pas s’arrêter là. En effet, « notre matériau n’est pas optimisé pour la performance, il ne conviendrait qu’à des applications peu demandeuses comme le pilotage des LEDs et des écrans LCD », indique Kachiyaril Saji, premier auteur de l’étude. Mais il rappelle que « le message le plus important de ce travail est que nous sommes désormais capables de fabriquer des couches minces à base d’oxyde d’étain ».

Un avenir qui n’est pas gravé

Les laboratoires savent désormais fabriquer plusieurs types de matériaux semi-conducteurs 2D.  Leur assemblage et la qualité des contacts avec le reste du circuit électronique constituent autant de challenges à relever avant de voir arriver sur le marché les premiers appareils utilisant l’électronique 2D. Mais le Dr Tiwari reste optimiste : « Le domaine est très dynamique et intéresse beaucoup de monde en ce moment. Nous devrions voir apparaître des premiers prototypes d’ici 2 à 3 ans ». Rendez-vous donc en 2018 !

Le transistor, composant essentiel de l’électronique grand public

Un transistor de type MISFET – C’est la réunion des semi-conducteurs de type P avec ceux de type N qui est à l’origine des propriétés électriques des transistors, ici un exemple de transistor de type MISFET. Source et Drain représentent, respectivement, les bornes d’entrée et de sortie du courant tandis que Gate est la borne de contrôle du semi-conducteur. Saji et ses collègues ont démontré pour la première fois la possibilité de réaliser un semi-conducteur de type P en 2D, grâce à un oxyde d’étain.© Wikimedia Commons

Découverts en 1947 par des chercheurs américains (Prix Nobel de physique en 1956) travaillant pour Bell Telephone, les transistors sont des interrupteurs commandés par un signal électrique alterne. Ils servent d’amplificateurs lorsqu’un signal électrique faible commande le passage d’un signal plus fort. On peut aussi utiliser leur statut (interrupteur fermé ou ouvert) pour créer des fonctions logiques de type ET, OU, NON qui sont à la base des microprocesseurs. C’est, entre autres, grâce à leur multiplication que les ordinateurs ont gagné en puissance et en rapidité. En effet, si dans les années 1970 un microprocesseur portait environ 3 000 transistors, aujourd’hui il en contient plusieurs milliards.

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