Une quête urgente dans le domaine de la nanoélectronique est la recherche d’un matériau qui pourrait remplacer le silicium. Le graphène semble prometteur depuis des décennies. Mais son potentiel s’est affaibli en cours de route, en raison de méthodes de traitement dommageables et de l’absence d’un nouveau paradigme électronique pour l’adopter. Avec le silicium presque au maximum de sa capacité à s’adapter à un calcul plus rapide, la prochaine grande plate-forme nanoélectronique est plus que jamais nécessaire.
Walter de Heer, Regents’ Professor à la School of Physics du Georgia Institute of Technology, a franchi une étape cruciale en plaidant en faveur d’un successeur au silicium. De Heer et ses collaborateurs ont développé une nouvelle plateforme nanoélectronique basée sur le graphène, une seule feuille d’atomes de carbone. La technologie est compatible avec la fabrication conventionnelle de la microélectronique, une nécessité pour toute alternative viable au silicium.
Au cours de leurs recherches, publiées dans Communication Nature, l’équipe a peut-être également découvert une nouvelle quasi-particule. Leur découverte pourrait conduire à la fabrication de puces informatiques plus petites, plus rapides, plus efficaces et plus durables, et a des implications potentielles pour l’informatique quantique et à haute performance.
« La puissance du graphène réside dans sa structure plate et bidimensionnelle qui est maintenue par les liaisons chimiques les plus fortes connues », a déclaré de Heer. « Il était clair dès le début que le graphène peut être miniaturisé dans une bien plus grande mesure que le silicium, permettant des appareils beaucoup plus petits, tout en fonctionnant à des vitesses plus élevées et en produisant beaucoup moins de chaleur. Cela signifie qu’en principe, plus d’appareils peuvent être emballés sur un seul puce de graphène qu’avec du silicium. »
En 2001, de Heer a proposé une forme alternative d’électronique basée sur le graphène épitaxial, ou épigraphène – une couche de graphène qui s’est avérée se former spontanément au-dessus du cristal de carbure de silicium, un semi-conducteur utilisé dans l’électronique haute puissance. À l’époque, les chercheurs ont découvert que les courants électriques circulaient sans résistance le long des bords de l’épigraphène et que les dispositifs au graphène pouvaient être interconnectés de manière transparente sans fils métalliques. Cette combinaison permet une forme d’électronique qui repose sur les propriétés lumineuses uniques des électrons du graphène.
« Des interférences quantiques ont été observées dans les nanotubes de carbone à basse température, et nous nous attendons à voir des effets similaires dans les rubans et les réseaux d’épigraphène », a déclaré de Heer. « Cette caractéristique importante du graphène n’est pas possible avec le silicium. »
Construire la plateforme
Pour créer la nouvelle plate-forme nanoélectronique, les chercheurs ont créé une forme modifiée d’épigraphène sur un substrat cristallin de carbure de silicium. En collaboration avec des chercheurs du Centre international de Tianjin pour les nanoparticules et les nanosystèmes de l’Université de Tianjin, en Chine, ils ont produit des puces uniques en carbure de silicium à partir de cristaux de carbure de silicium de qualité électronique. Le graphène lui-même a été cultivé au laboratoire de de Heer à Georgia Tech à l’aide de fours brevetés.
Les chercheurs ont utilisé la lithographie par faisceau d’électrons, une méthode couramment utilisée en microélectronique, pour sculpter les nanostructures de graphène et souder leurs bords aux puces en carbure de silicium. Ce processus stabilise et scelle mécaniquement les bords du graphène, qui autrement réagiraient avec l’oxygène et d’autres gaz susceptibles d’interférer avec le mouvement des charges le long du bord.
Enfin, pour mesurer les propriétés électroniques de leur plateforme de graphène, l’équipe a utilisé un appareil cryogénique qui leur permet d’enregistrer ses propriétés d’une température proche de zéro à la température ambiante.
Observer l’état des bords
Les charges électriques que l’équipe a observées dans l’état de bord du graphène étaient similaires aux photons dans une fibre optique qui peut parcourir de grandes distances sans se disperser. Ils ont découvert que les charges parcouraient des dizaines de milliers de nanomètres le long du bord avant de se disperser. Les électrons du graphène dans les technologies précédentes ne pouvaient parcourir qu’environ 10 nanomètres avant de se heurter à de petites imperfections et de se disperser dans différentes directions.
« Ce qui est spécial avec les charges électriques dans les bords, c’est qu’ils restent sur le bord et continuent à avancer à la même vitesse, même si les bords ne sont pas parfaitement droits », a déclaré Claire Berger, professeur de physique à Georgia Tech et directrice de recherche à le Centre National de la Recherche Scientifique de Grenoble, France.
Dans les métaux, les courants électriques sont transportés par des électrons chargés négativement. Mais contrairement aux attentes des chercheurs, leurs mesures ont suggéré que les courants de bord n’étaient pas transportés par des électrons ou par des trous (un terme pour les quasi-particules positives indiquant l’absence d’électron). Au contraire, les courants étaient portés par une quasi-particule très inhabituelle qui n’a ni charge ni énergie, et pourtant se déplace sans résistance. On a observé que les composants de la quasi-particule hybride se déplaçaient sur les côtés opposés des bords du graphène, bien qu’il s’agisse d’un seul objet.
Les propriétés uniques indiquent que la quasi-particule pourrait être celle que les physiciens espéraient exploiter depuis des décennies – l’insaisissable fermion de Majorana prédit par le physicien théoricien italien Ettore Majorana en 1937.
« Le développement de l’électronique à l’aide de cette nouvelle quasi-particule dans des réseaux de graphène parfaitement interconnectés change la donne », a déclaré de Heer.
Il faudra probablement encore cinq à 10 ans avant que nous ayons la première électronique à base de graphène, selon de Heer. Mais grâce à la nouvelle plateforme de graphène épitaxial de l’équipe, la technologie est plus proche que jamais de couronner le graphène en tant que successeur du silicium.
Plus d’information:
Vladimir S. Prudkovskiy et al, Une plate-forme épitaxiale de graphène pour la nanoélectronique à état de bord à énergie nulle, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-34369-4