Des chercheurs de Stanford Engineering ont mis au point un matériau ultrafin qui conduit l’électricité mieux que le cuivre et qui pourrait permettre à la nanoélectronique d’être plus économe en énergie. Ces scientifiques ont montré que le phosphure de niobium peut mieux conduire l’électricité que le cuivre dans des films de quelques atomes d’épaisseur seulement. Ces films peuvent notamment être créés et déposés à des températures suffisamment basses pour être compatibles avec la fabrication de puces électroniques de dernière génération.
Parmi les maillons faibles des puces électroniques, on trouve les fils métalliques ultrafins par lesquels transitent les signaux électriques. Ce qui tend à limiter l’efficacité et les performances électroniques à l’échelle nanométrique. « Nous brisons un goulot d’étranglement fondamental des matériaux traditionnels comme le cuivre », a déclaré Asir Intisar Khan, premier auteur de l’article. « Nos conducteurs en phosphure de niobium montrent qu’il est possible de transmettre des signaux plus rapidement et plus efficacement à travers des fils ultraminces. Cela pourrait améliorer l’efficacité énergétique des futures puces électroniques. »
Le phosphure de niobium est un semi-métal topologique. Ce qui signifie que l’ensemble du matériau peut conduire l’électricité, mais que ses surfaces extérieures sont plus conductrices que la partie centrale. Lorsqu’un film de phosphure de niobium s’amincit, la zone centrale se rétrécit mais les surfaces ne changent pas. Ce qui permet aux surfaces de contribuer davantage au flux d’électricité et au matériau dans son ensemble de devenir un meilleur conducteur. Les métaux traditionnels comme le cuivre, en revanche, deviennent moins bons conducteurs d’électricité dès que leur épaisseur est inférieure à 50 nanomètres.
Selon les chercheurs de Standford, un film de quelques atomes d’épaisseur de phosphure de niobium non cristallin conduit mieux à travers la surface. Ce qui permet de faire du matériau, dans son ensemble, un meilleur conducteur. Les chercheurs ont constaté que le phosphure de niobium devenait un meilleur conducteur que le cuivre à des épaisseurs de film inférieures à 5 nanomètres, même à température ambiante. À cette épaisseur, les fils en cuivre peinent à prendre en charge des signaux électriques rapides et perdent beaucoup plus d’énergie en chaleur. « Les dispositifs électroniques de très haute densité nécessitent des connexions métalliques très fines. Si les métaux ne conduisent pas correctement, ils perdent beaucoup de puissance et d’énergie », explique Eric Pop, professeur à l’école d’ingénieurs, professeur de génie électrique et auteur principal de l’article. « De meilleurs matériaux pourraient nous aider à dépenser moins d’énergie dans les fils minces et disposer de davantage d’énergie pour effectuer des calculs ».
Les films de phosphure de niobium fabriqués par l’équipe de Standford sont un exemple remarquable de matériaux non cristallins qui deviennent de meilleurs conducteurs à mesure qu’ils s’amincissent. Comme le souligne Akash Ramdas, coauteur de l’article, « Nous disposons désormais d’une autre classe de matériaux – ces semi-métaux topologiques – qui pourraient potentiellement servir à réduire la consommation d’énergie dans les systèmes électroniques ».
Les films de phosphure de niobium n’ayant pas besoin d’être monocristallins, ils peuvent être créés à des températures plus basses. Les chercheurs ont déposé les films à 400 degrés Celsius, une température suffisamment basse pour éviter d’endommager ou de détruire les puces électroniques en silicium existantes. Bien que les films de phosphure de niobium constituent un début prometteur, ces scientifiques précisent qu'ils ne vont pas remplacer demain le cuivre dans toutes les puces électroniques, car ce dernier demeure un meilleur conducteur dans des fils plus épais. Mais le phosphure de niobium pourrait être utilisé pour les connexions les plus fines.
Stanford University : https://engineering.stanford.edu/news/new-ultrathin-conductor-nanoelectronics
