Matériau de choix pour l’électronique depuis des décennies, le silicium commence à se heurter à des limites d’efficacité. La prochaine étape pourrait être les transistors et les circuits en carbone, avec des nanorubans de graphène comme conducteurs.

Une avancée majeure

La loi de Moore est une théorie qui décrit le rythme des progrès technologiques, affirmant que le nombre de transistors sur une puce informatique doublera tous les deux ans environ. Si cette théorie s’est vérifiée pendant des décennies, le rythme a fini par faiblir ces dernières années, à l’approche des limites physiques de ce qui est possible avec le silicium.

Abondant, bon marché et disponible sous diverses formes, le carbone est un excellent candidat pour maintenir la loi de Moore, en particulier si des circuits entièrement en carbone peuvent être réalisés. Le graphite, le diamant et les nanotubes de carbone sont tous des formes de carbone qui ont prouvé leur utilité dans divers composants électroniques, mais le plus prometteur est peut-être le graphène, un réseau de carbone d’une épaisseur d’un seul atome et pouvant se présenter sous différentes formes (feuilles plates, froissées, minuscules points quantiques ou longs et fins nanorubans).

C’est avec cette dernière forme qu’une équipe de l’université de Berkeley, dont les travaux ont été présentés dans la revue Science, a réalisé une avancée majeure. Les nanorubans de graphène sont généralement des semi-conducteurs, mais l’équipe a réussi à les transformer en métaux, ce qui les rend conducteurs et capables d’agir comme des fils pour transporter des électrons dans un circuit.

« Nous pensons que ces fils métalliques représentent vraiment une percée », estime Felix Fischer, co-auteur de l’étude. « C’est la première fois que nous parvenons à créer intentionnellement un conducteur métallique ultra-étroit – et un bon conducteur intrinsèque – à partir de matériaux à base de carbone, sans qu’il soit nécessaire de recourir à un dopage externe. »

Image de l’activité des électrons dans un nanoruban de graphène métallique obtenue par microscopie électronique à balayage

« Les nanorubans nous permettent d’accéder chimiquement à un large éventail de structures »

Pour créer ces nanorubans métalliques, l’équipe a assemblé de courts segments ensemble en utilisant la chaleur pour faire réagir chimiquement les molécules et les joindre, formant ainsi une chaîne plus longue. Le nanoruban ainsi formé mesurait quelques dizaines de nanomètres de long pour seulement 1,6 nanomètre de large, et les chercheurs ont découvert que celui-ci possédait les propriétés électroniques d’un métal, chaque segment ne fournissant qu’un seul électron conducteur qui peut ensuite circuler librement le long du ruban. Enfin, l’équipe a apporté une petite modification à la structure pour en améliorer encore les performances.

« En utilisant la chimie, nous avons créé un changement minuscule, une modification d’une seule liaison chimique pour environ 100 atomes, mais qui a augmenté la métallicité du nanoruban d’un facteur 20, ce qui est important, d’un point de vue pratique, pour en faire un bon métal », explique Michael Crommie, co-auteur de l’étude.

Si les nanotubes de carbone sont d’excellents conducteurs et se sont révélés prometteurs en électronique, l’équipe rappelle qu’ils sont plus difficiles à fabriquer à l’échelle. Les nanorubans sont plus faciles à fabriquer en masse, ce qui rend l’électronique tout carbone plus viable.

« Les nanorubans nous permettent d’accéder chimiquement à un large éventail de structures en utilisant une fabrication ascendante, ce qui n’est pas encore possible avec les nanotubes », explique Crommie. « Cela nous a permis d’assembler des électrons pour créer un nanoruban métallique, ce qui n’avait jamais été fait auparavant. C’est l’un des grands défis dans le domaine de la technologie des nanorubans de graphène et c’est pourquoi nous sommes si enthousiastes à ce sujet. »

— Vink Fan / Shutterstock.com

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