Un nombre croissant de chercheurs reconnaît que le graphène, un allotrope de carbone, serait le prochain silicium. Mais selon ces derniers, le graphène serait trop conducteur pour être utilisé dans les puces d'ordinateurs. Une équipe de recherche de l'université de Manchester au Royaume-Uni aurait probablement trouvé un moyen de contourner ce problème. Présentée dans la revue Science, l'étude démontre que le transistor pourrait bien être le chaînon manquant pour que le graphène devienne le nouveau silicium. Leur découverte ouvre une troisième dimension dans la recherche du graphène.
Le groupe de Manchester, sous la direction des professeurs Andre Geim et Konstantin Novoselov, tous deux lauréats du Nobel et sacrés chevalier l'an dernier, fait remarquer que le graphène est un matériel fascinant doté de myriades de propriétés, principalement optiques, mécaniques, électroniques et chimiques.
Les experts expliquent que le graphène peut être utilisé pour former la base des puces d'ordinateurs, remplaçant ainsi le matériau de premier choix, le silicium. Des entreprises du monde entier, telles que Samsung, Intel et IBM, ont déjà exprimé un intérêt pour le graphène. Les transistors uniques à très hautes fréquences (jusqu'à 300 GHz) ont déjà fait l'objet de démonstrations pour de nombreux groupes dans le monde entier.
Le problème de ces transistors est qu'ils ne peuvent pas être intégrés dans une puce d'ordinateur car ils laissent échapper trop de courant, même dans l'état d'isolation le plus extrême du graphène. Ce courant électrique entraîne rapidement la fonte de la puce. Malgré les diverses études menées pour résoudre ce problème ces huit dernières années, aucune solution valide n'a été trouvée. Mais l'équipe de Manchester est parvenue à trouver la pièce manquante du puzzle. Selon les chercheurs, le graphène devrait être utilisé en position verticale et non en direction latérale. L'équipe a utilisé le graphène en tant qu'électrode depuis laquelle les électrons sont passés par un diélectrique dans un autre métal. Les chercheurs appellent ce dispositif une diode à effet tunnel.
Ils se sont concentrés principalement sur une caractéristique unique du graphène : un voltage externe peut fortement modifier l'énergie des électrons à effet tunnel. Ils ont ainsi obtenu un nouveau type de dispositif, un transistor à effet tunnel en champ vertical dans lequel le graphène est l'ingrédient principal.
«Nous avons prouvé conceptuellement une nouvelle approche à l'électronique de graphène», explique l'auteur principal de l'étude, le Docteur Leonid Ponomarenko de l'école de physique et d'astronomie de l'université de Manchester. «Nos transistors fonctionnent déjà très bien. Je pense qu'ils peuvent être améliorés, et réduits à l'échelle nanométriques et fonctionner à des fréquences sous-THz.» Pour sa part, le professeur Novoselov commente : «C'est une nouvelle vision pour la recherche sur le graphène et les chances pour l'électronique du graphène n'ont jamais été aussi positives qu'aujourd'hui.»
Mais le graphène ne fonctionne pas seul ; d'autres matériaux sont également nécessaires. L'équipe de Manchester a associé au graphène du nitrure de bore et du disulfure de molybdène de plans atomiques pour développer les transistors. Ces derniers ont été fabriqués couche par couche selon la séquence voulue à l'échelle atomique. Ces types de superstructures en couche n'existent pas dans la nature. Ce concept innovant offre de nouveaux degrés de fonctionnalité, dont le transistor à effet tunnel est un composant essentiel.
«Le transistor étudié est important mais le concept de l'assemblage en couches atomiques l'est encore plus», commente le professeur Geim. Et le professeur Novoselov d'ajouter : «Le transistor à effet tunnel n'est qu'un exemple de la collection non exhaustive des structures en couches et des dispositifs innovants pouvant être créés par ce mode d'assemblage. Il offre des opportunités infinies en physique fondamentale et pour des applications.
