L’élément de circuit en carbone métallique permet de travailler sur des transistors à base de carbone plus rapides et efficaces –

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  • Les transistors basés sur le carbone plutôt que sur le silicium pourraient potentiellement augmenter la vitesse des ordinateurs et réduire leur consommation d’énergie plus de mille fois – pensez à un téléphone mobile qui tient sa charge pendant des mois – mais l’ensemble des outils nécessaires pour construire des circuits de carbone fonctionnels est resté incomplet jusqu’à présent.

    Une équipe de chimistes et de physiciens de l’Université de Californie à Berkeley a enfin créé le dernier outil de la boîte à outils, un fil métallique entièrement en carbone, ouvrant la voie à une montée en puissance de la recherche pour construire des transistors à base de carbone et, finalement, les ordinateurs.

    “Rester dans le même matériau, dans le domaine des matériaux à base de carbone, est ce qui rassemble cette technologie maintenant”, a déclaré Felix Fischer, professeur de chimie à l’UC Berkeley, notant que la possibilité de fabriquer tous les éléments du circuit à partir du même matériau rend la fabrication Plus facile. “Cela a été l’un des éléments clés qui manquait à la vue d’ensemble d’une architecture de circuits intégrés entièrement en carbone.”

    Les fils métalliques – comme les canaux métalliques utilisés pour connecter les transistors dans une puce informatique – transportent l’électricité d’un appareil à l’autre et interconnectent les éléments semi-conducteurs dans les transistors, les éléments constitutifs des ordinateurs.

    Le groupe UC Berkeley travaille depuis plusieurs années sur la façon de fabriquer des semi-conducteurs et des isolants à partir de nanorubans de graphène, qui sont des bandes étroites et unidimensionnelles de graphène d’épaisseur atomique, une structure entièrement composée d’atomes de carbone disposés selon un motif hexagonal interconnecté ressemblant à du poulet. câble.

    Le nouveau métal à base de carbone est également un nanoribbon de graphène, mais conçu dans le but de conduire des électrons entre des nanorubans semi-conducteurs dans des transistors entièrement en carbone. Les nanorubans métalliques ont été construits en les assemblant à partir de blocs de construction identiques plus petits: une approche ascendante, a déclaré le collègue de Fischer, Michael Crommie, professeur de physique à l’UC Berkeley. Chaque bloc de construction apporte un électron qui peut circuler librement le long du nanoribbon.

    Alors que d’autres matériaux à base de carbone – comme les feuilles 2D étendues de graphène et de nanotubes de carbone – peuvent être métalliques, ils ont leurs problèmes. Le remodelage d’une feuille 2D de graphène en bandes à l’échelle nanométrique, par exemple, les transforme spontanément en semi-conducteurs, voire en isolants. Les nanotubes de carbone, qui sont d’excellents conducteurs, ne peuvent être préparés avec la même précision et reproductibilité en grandes quantités que les nanorubans.

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

    Les nanorubans métalliques de graphène – qui présentent une large bande électronique partiellement remplie caractéristique des métaux – devraient être comparables en conductance au graphène 2D lui-même.

    «Nous pensons que les fils métalliques sont vraiment une percée; c’est la première fois que nous pouvons créer intentionnellement un conducteur métallique ultra-étroit – un bon conducteur intrinsèque – à partir de matériaux à base de carbone, sans avoir besoin de dopage externe. », A ajouté Fischer.

    Crommie, Fischer et leurs collègues de l’UC Berkeley et Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) publieront leurs résultats dans le numéro du 25 septembre de la revue Science.

    Ajuster la topologie

    Les circuits intégrés à base de silicium alimentent les ordinateurs depuis des décennies avec une vitesse et des performances toujours croissantes, selon la loi de Moore, mais ils atteignent leur limite de vitesse, c’est-à-dire la vitesse à laquelle ils peuvent basculer entre les zéros et les uns. Il est également de plus en plus difficile de réduire la consommation d’énergie; les ordinateurs utilisent déjà une part substantielle de la production d’énergie mondiale. Les ordinateurs à base de carbone pourraient potentiellement basculer plusieurs fois plus vite que les ordinateurs au silicium et n’utiliser que des fractions de puissance, a déclaré Fischer.

    Le graphène, qui est du carbone pur, est l’un des principaux candidats à ces ordinateurs de nouvelle génération à base de carbone. Cependant, les bandes étroites de graphène sont principalement des semi-conducteurs et le défi a été de les faire également fonctionner comme isolants et métaux – extrêmes opposés, totalement non conducteurs et entièrement conducteurs, respectivement – afin de construire des transistors et des processeurs entièrement en carbone.

    Il y a plusieurs années, Fischer et Crommie ont fait équipe avec le scientifique théorique des matériaux Steven Louie, professeur de physique à l’UC Berkeley, pour découvrir de nouvelles façons de connecter de petites longueurs de nanoribbon afin de créer de manière fiable la gamme complète des propriétés conductrices.

    Il y a deux ans, l’équipe a démontré qu’en connectant de courts segments de nanoribbon de la bonne manière, les électrons de chaque segment pouvaient être arrangés pour créer un nouvel état topologique – une fonction d’onde quantique spéciale – conduisant à des propriétés semi-conductrices accordables.

    Dans le nouveau travail, ils utilisent une technique similaire pour assembler de courts segments de nanorubans pour créer un fil métallique conducteur de dizaines de nanomètres de long et à peine un nanomètre de large.

    Les nanorubans ont été créés chimiquement et imagés sur des surfaces très planes à l’aide d’un microscope à effet tunnel. Une simple chaleur a été utilisée pour inciter les molécules à réagir chimiquement et à se rejoindre de la bonne manière. Fischer compare l’assemblage de blocs de construction en guirlande à un ensemble de Legos, mais les Legos sont conçus pour s’adapter à l’échelle atomique.

    “Ils sont tous conçus avec précision pour qu’il n’y ait qu’une seule façon de s’emboîter. C’est comme si vous preniez un sac de Legos, et vous le secouiez, et en sort une voiture entièrement assemblée”, a-t-il déclaré. “C’est la magie de contrôler l’auto-assemblage avec la chimie.”

    Une fois assemblé, l’état électronique du nouveau nanoribbon était un métal – comme Louie l’avait prédit – avec chaque segment contribuant à un seul électron conducteur.

    La percée finale peut être attribuée à un changement infime dans la structure du nanoribbon.

    “En utilisant la chimie, nous avons créé un petit changement, un changement dans une seule liaison chimique pour environ 100 atomes, mais qui a augmenté la métallicité du nanoribbon d’un facteur 20, et c’est important, d’un point de vue pratique, pour faire de ce métal un bon métal », a déclaré Crommie.

    Les deux chercheurs travaillent avec des ingénieurs électriciens de l’UC Berkeley pour assembler leur boîte à outils de nanorubans de graphène semi-conducteurs, isolants et métalliques en transistors fonctionnels.

    “Je pense que cette technologie va révolutionner la façon dont nous construisons des circuits intégrés à l’avenir”, a déclaré Fischer. “Cela devrait nous faire un grand pas en avant par rapport aux meilleures performances que l’on peut attendre du silicium à l’heure actuelle. Nous avons maintenant la possibilité d’accéder à des vitesses de commutation plus rapides avec une consommation d’énergie beaucoup plus faible. C’est ce qui motive la poussée vers une technologie basée sur le carbone. industrie des semi-conducteurs électroniques dans le futur. “

    Les co-auteurs principaux de l’article sont Daniel Rizzo et Jingwei Jiang du département de physique de l’UC Berkeley et Gregory Veber du département de chimie. Les autres co-auteurs sont Steven Louie, Ryan McCurdy, Ting Cao, Christopher Bronner et Ting Chen de l’UC Berkeley. Jiang, Cao, Louie, Fischer et Crommie sont affiliés à Berkeley Lab, tandis que Fischer et Crommie sont membres du Kavli Energy NanoSciences Institute.

    La recherche a été soutenue par l’Office of Naval Research, le Department of Energy, le Center for Energy Efficient Electronics Science et la National Science Foundation.

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