Des chercheurs de Stanford University ont développé une nouvelle méthode chimique pour produire des nanorubans de graphène (Graphene nano ribbons, GNR) pour fabriquer des transistors à effet de champ fonctionnant à température ambiante. Ces transistors pourraient bien être utilisés dans les ordinateurs hautes performances, plus rapides et dégageant moins de chaleur. Au fur et à mesure que la finesse de gravure des circuits en silicium se rapproche de quelques nanomètres, les effets quantiques apparaissent. Les électrons se comportent différemment à cette échelle et compromettent les qualités semi-conductrices du silicium : le graphène a de fortes chances d’être le successeur du silicium.
D’autres transistors à effet de champ fabriqués avec des GNR existent, mais ils fonctionnent à la température de l’Hélium liquide (4.2 Kelvins). C’est la largeur des rubans qui fait la différence : plus les rubans sont larges, plus la température de fonctionnement doit être basse, ce qui est évidemment un facteur extrêmement limitant pour leur fabrication à grande échelle. Les rubans fabriqués par l’équipe dirigée par Dr Hongjie Dai font moins de 10nm de large. Les expériences de transport électrique ont montré que, contrairement aux nanotubes de carbone simple paroi, tous les GNR de largeur inférieures à 10nm fabriqués étaient semiconducteurs et permettaient un ratio On-Off de 1:10.000.000, à température ambiante. Le ratio On-Off est la différence de courant traversant le transistor lorsqu’il est en position On et en position Off. Il faut un rapport très important pour utiliser un matériau comme transistor sinon il est difficile de différencier électroniquement si le transistor est en état on ou off.
Le graphène a émergé il y a 4 ans comme un matériau très prometteur pour ses applications électroniques, grâce notamment la grande mobilité des porteurs. Des théories récentes ont prédit que le confinement quantique et les effets de bords confèrent aux GNR suffisamment étroits une bande interdite qui leur permet d’être semiconducteurs.
Pour fabriquer ces rubans, l’équipe a exfolié du graphite extensible, chauffé à 1000°C pendant une minute dans de l’argon avec 3% hydrogène. Le graphite exfolié est décomposé dans une solution chimique à ultrasons pendant 30 minutes, et par centrifugation les substrats formés pendant le bain à ultrasons sont récupérés. La microscopie à force atomique met en évidence de nombreux GNR d’une seule couche de 50nm à moins de 10nm de large, et de longueur 1micro-m environ. Les transistors FET GNR ont été fabriqués avec du palladium pour les contacts métalliques de la source et du drain. Les transistors délivrent jusqu’à 200micro-A/micro-m (pour une longueur de 200 à 300nm) à 0.5V en tension drain-source. Les chercheurs pensent améliorer ces performances déjà prometteuses en optimisant les contacts et en réduisant la longueur du canal.
D’autres nanostructures de graphène sont exploitées pour faire des nanotransistors. Une équipe de The School of Physics and Astronomy at The University of Manchester a utilisé la lithographie à faisceau d’électrons pour fabriquer le transistor le plus petit du monde (1 atome d’épaisseur et 10 atomes de long) en taillant des feuillets de graphène. Les résultats obtenus sont impressionnants, mais difficilement concevables à grande échelle. Les nanorubans décrits précédemment sont certes plus grands, mais leur technique de fabrication est bien plus simple. Il reste à voir quelle technique sera utilisée quand le silicium prendra sa retraite pour les circuits électroniques, c’est-à-dire quand les dimensions devront passer sous la barre des 10nm.
Source :
– "Nanotechnology demonstration of room-temperature graphene transistors", 2 juin 2008 – https://www.foresight.org/nanodot/?p=2756
– Abstract "Room-Temperature All-Semiconducting Sub-10-nm Graphene Nanoribbon Field-Effect Transistors" – https://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=PRLTAO000100000020206803000001&idtype=cvips&gifs=yes
– "Graphene used to create world’s smallest transistor", 18 avril 2008 – https://www.manchester.ac.uk/aboutus/news/display/?id=3529
Pour en savoir plus, contacts :
"Chemically Derived, Ultrasmooth Graphene Nanoribbon Semiconductors", Journal Science – https://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/319/5867/1229
Code brève
ADIT : 55050
Rédacteur :
Alban de Lassus, [email protected]
