D'abord est venu le commutateur. Puis le transistor. Aujourd'hui, une autre innovation va révolutionner la façon dont nous contrôlons le flux d'électrons dans un circuit :le dioxyde de vanadium (VO2). Une caractéristique clé de ce composé est qu'il se comporte comme un isolant à température ambiante mais comme un conducteur à des températures supérieures à 68°C. Ce comportement - également connu sous le nom de transition métal-isolant - est étudié dans un ambitieux projet européen Horizon 2020 appelé Phase-Change Switch. L'EPFL a été choisie pour coordonner le projet à l'issue d'un processus de sélection exigeant.

Le projet durera jusqu'en 2020. En raison de l'éventail d'applications à fort potentiel qui pourraient découler de cette nouvelle technologie, le projet a attiré deux grandes entreprises - Thales de France et la branche suisse d'IBM Research - ainsi que d'autres universités, dont Max-Planck-Gesellschaft en Allemagne et l'Université de Cambridge au Royaume-Uni. Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik (AMO GmbH), une spin-off de l'Université d'Aix-la-Chapelle en Allemagne, participe également à la recherche.

Les scientifiques connaissent depuis longtemps les propriétés électroniques du VO2, mais n'ont pas été en mesure de les expliquer jusqu'à ce qu'ils le sachent. Il s'avère que sa structure atomique change à mesure que la température augmente, passer d'une structure cristalline à température ambiante à une structure métallique à des températures supérieures à 68°C. Et cette transition se fait en moins d'une nanoseconde - un réel avantage pour les applications électroniques. "La VO2 est également sensible à d'autres facteurs qui pourraient la faire changer de phase, par exemple en injectant de l'énergie électrique, optiquement, soit en appliquant une impulsion de rayonnement THz, " dit Adrian Ionescu, le professeur de l'EPFL qui dirige le Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) de l'école et est également coordinateur du projet Phase-Change Switch.

Le défi :atteindre des températures plus élevées

Cependant, libérer tout le potentiel du VO2 a toujours été délicat car sa température de transition de 68°C est trop basse pour les appareils électroniques modernes, où les circuits doivent pouvoir fonctionner parfaitement à 100°C. Mais deux chercheurs de l'EPFL - Ionescu de la School of Engineering (STI) et Andreas Schüler de la School of Architecture, Génie Civil et Environnemental (ENAC) - peut avoir trouvé une solution à ce problème, selon leurs recherches conjointes publiées dans Lettres de physique appliquée en juillet 2017. Ils ont découvert que l'ajout de germanium au film VO2 peut augmenter la température de changement de phase du matériau à plus de 100°C.

Des découvertes encore plus intéressantes du Nanolab - en particulier pour les applications de radiofréquence - ont été publiées dans Accès IEEE le 2 février 2018. Pour la première fois, les scientifiques ont pu fabriquer des ultra-compacts, filtres de fréquence modulables. Leur technologie utilise également des commutateurs VO2 et à changement de phase, et est particulièrement efficace dans la gamme de fréquences cruciale pour les systèmes de communication spatiale (la bande Ka, avec modulation de fréquence programmable entre 28,2 et 35 GHz).

Processeurs neuromorphiques et véhicules autonomes

Ces découvertes prometteuses sont susceptibles de stimuler de nouvelles recherches sur les applications du VO2 dans les appareils électroniques à ultra-faible consommation. En plus des communications spatiales, d'autres domaines pourraient inclure l'informatique neuromorphique et les radars à haute fréquence pour les voitures autonomes.