La nouvelle cellule souche de l’électronique
Des composants hautement spécialisés pour circuits devraient bientôt être fabriquées en graphène. Le futur proche de l’électronique réside probablement dans son utilisation en combinaison avec le silicium.
Ultrafin, transparent même au microscope, le graphène est néanmoins plus dur que le diamant. Etant de plus conducteur thermique et électrique, il est idéal pour les composants électroniques. | Photo: Imec
A l’aide d’un ruban adhésif, deux physiciens retirent plusieurs couches d’atomes de carbone d’un morceau de graphite sombre et brillant, composant essentiel des mines de crayon. Ils répètent l’opération jusqu’à ce qu’il ne reste plus qu’une seule couche transparente sous le microscope, une structure hexagonale bidimensionnelle: le graphène. Ce nanomatériau ultrafin et plus résistant que le diamant conduit l’électricité et la chaleur, le rendant idéal pour l’électronique.
«Les électrons sont très mobiles dans cette structure cristalline particulière», note Oliver Gröning de l’Empa. Le graphène est de plus modulable. En fonction de sa structure à l’échelle nanométrique, ses propriétés électriques, optiques et magnétiques sont modifiables et contrôlables. «On peut l’utiliser pour créer tout ce qu’il faut en électronique: un conducteur, un isolant, un semi-conducteur. Il devient donc la cellule souche de l’électronique», dit le physicien. Les scientifiques de l’Empa travaillent avec des nanorubans de graphène aux formes variées, qu’ils synthétisent et dont ils contrôlent la géométrie à l’échelle atomique. C’est ainsi qu’est né entre autres un transistor – composant central de l’électronique moderne – avec une bande interdite que le graphène ne possède pas. La bande interdite est le seuil d’énergie qui détermine si le courant passe à travers le transistor ou non. «Désormais, nous pouvons même l’ajuster précisément dans le transistor en graphène pour le rendre sensible à des plages de tension spécifiques ou des longueurs d’onde optiques particulières», ajoute-t-il.
Le silicium a encore une longueur d'avance
Le silicium reste la référence absolue en électronique des puces. L’industrie du silicium a ainsi plusieurs décennies d’avance sur le graphène en matière de techniques de procédé, que ce soit pour les composants eux-mêmes ou pour les procédés de fabrication qui préservent aussi ces propriétés dans une puce. «Nous sommes en pleine vallée de la mort», note Oliver Gröning. C’est cette phase qui détermine si une idée parvient à passer du laboratoire à la production industrielle. Cela nécessite un gros travail de développement et d’importantes ressources infrastructurelles et financières.
Pourtant, la miniaturisation et la fréquence d’horloge des puces en silicium classiques atteindront bientôt leurs limites. Pour Oliver Gröning, il est donc probable que des composants individuels et hautement spécialisés en graphène soient d’abord intégrés dans les circuits existants. Alberto Morpurgo, de l’Université de Genève, qui a également participé au programme phare «Graphène» de l’UE, pense aussi que «le graphène pourrait aider à résoudre certains problèmes du silicium, en dissipant notamment efficacement la chaleur des puces haute performance pour offrir une fréquence d’horloge plus élevée».
L'équipe d’Alberto Morpurgo étudie en particulier des applications en spintronique. La technologie consiste à manipuler le spin d’un électron de façon ciblée pour l’utiliser comme mémoire logique, dont les états correspondent alors à 0 et 1. Les composants se prêtent ainsi à une commutation rapide et à une importante miniaturisation. «Msid nous n’en sommes encore qu’au début», note-t-il.
Cap sur les matériaux 2D!
D’autres applications possibles sont les capteurs infrarouges. Alberto Morpurgo cite le projet d’une start-up espagnole qui a développé une caméra infrarouge à base de graphène. «Elle pourrait aider les voitures à voir dans le brouillard, car les gouttelettes d’eau absorbent fortement la lumière visible, mais beaucoup moins l’infrarouge lointain.» Les prototypes utilisent une puce en silicium avec une matrice de contacts, recouverte d’une couche de graphène et de nanostructures semi-conductrices qui absorbent la lumière infrarouge et transmettent les électrons au graphène. Chaque contact fonctionne comme un pixel de caméra.
Le chercheur s’attend à ce que les matériaux bidimensionnels, tel le nitrure de bore hexagonal ou des combinaisons hybrides, gagnent en importance en électronique, aux côtés du graphène. «Le graphène a ouvert un nouveau champ de recherche. Ce qui semblait unique s’inscrit désormais dans un ensemble plus vaste. Le graphène a créé un nouveau paradigme.»
