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  • Une fine couche de germanium pourrait remplacer le silicium dans les semi-conducteurs

    L'élément germanium à l'état naturel. Des chercheurs de l'Ohio State University ont mis au point une technique pour fabriquer des feuilles de germanium d'une épaisseur d'un atome en vue d'une éventuelle utilisation en électronique. Crédit :Joshua Goldberger, L'université d'État de l'Ohio

    (Phys.org) - Le même matériau qui a formé les premiers transistors primitifs il y a plus de 60 ans peut être modifié d'une nouvelle manière pour faire progresser l'électronique future, selon une nouvelle étude.

    Des chimistes de l'Ohio State University ont développé la technologie pour fabriquer une feuille de germanium d'une épaisseur d'un atome, et a constaté qu'il conduit les électrons plus de dix fois plus vite que le silicium et cinq fois plus vite que le germanium conventionnel.

    La structure du matériau est étroitement liée à celle du graphène, un matériau bidimensionnel très vanté composé de couches uniques d'atomes de carbone. En tant que tel, le graphène présente des propriétés uniques par rapport à son homologue multicouche plus commun, graphite. Le graphène n'a pas encore été utilisé commercialement, mais les experts ont suggéré qu'il pourrait un jour former des puces informatiques plus rapides, et peut-être même fonctionner comme un supraconducteur, tant de laboratoires travaillent à le développer.

    Josué Goldberger, professeur adjoint de chimie à l'Ohio State, décidé de prendre une direction différente et de se concentrer sur des matériaux plus traditionnels.

    "La plupart des gens pensent que le graphène est le matériau électronique du futur, " dit Goldberger. " Mais le silicium et le germanium sont toujours les matériaux du présent. Soixante ans d'intelligence ont été consacrés au développement de techniques pour en faire des puces. Nous avons donc recherché des formes uniques de silicium et de germanium aux propriétés avantageuses, pour obtenir les avantages d'un nouveau matériau mais à moindre coût et en utilisant la technologie existante."

    Dans un article publié en ligne dans la revue ACS Nano , lui et ses collègues décrivent comment ils ont pu créer une écurie, couche unique d'atomes de germanium. Sous cette forme, le matériau cristallin est appelé germanane.

    Les chercheurs ont déjà essayé de créer du germanane. C'est la première fois que l'on réussit à en cultiver des quantités suffisantes pour mesurer en détail les propriétés du matériau, et démontrer qu'il est stable lorsqu'il est exposé à l'air et à l'eau.

    Dans la nature, le germanium a tendance à former des cristaux multicouches dans lesquels chaque couche atomique est liée ensemble; la couche à un seul atome est normalement instable. Pour contourner ce problème, L'équipe de Goldberger a créé des cristaux de germanium multicouches avec des atomes de calcium coincés entre les couches. Ensuite, ils ont dissous le calcium avec de l'eau, et a bouché les liaisons chimiques vides qui ont été laissées avec de l'hydrogène. Le résultat :ils ont pu décoller des couches individuelles de germanane.

    Parsemé d'atomes d'hydrogène, le germanane est encore plus stable chimiquement que le silicium traditionnel. Il ne s'oxydera pas dans l'air et l'eau, comme le fait le silicium. Cela rend le germanane facile à travailler en utilisant des techniques de fabrication de puces conventionnelles.

    La principale chose qui rend le germanane souhaitable pour l'optoélectronique est qu'il possède ce que les scientifiques appellent une "bande interdite directe, " ce qui signifie que la lumière est facilement absorbée ou émise. Des matériaux tels que le silicium et le germanium conventionnels ont des bandes interdites indirectes, ce qui signifie qu'il est beaucoup plus difficile pour le matériau d'absorber ou d'émettre de la lumière.

    "Lorsque vous essayez d'utiliser un matériau avec une bande interdite indirecte sur une cellule solaire, vous devez le rendre assez épais si vous voulez que suffisamment d'énergie le traverse pour être utile. Un matériau avec une bande interdite directe peut faire le même travail avec un morceau de matériau 100 fois plus fin, " a déclaré Goldberger.

    Les tout premiers transistors ont été fabriqués à partir de germanium à la fin des années 1940, et ils avaient à peu près la taille d'une vignette. Bien que les transistors soient devenus microscopiques depuis lors - avec des millions d'entre eux emballés dans chaque puce informatique - le germanium a toujours le potentiel de faire progresser l'électronique, l'étude a montré.

    Selon les calculs des chercheurs, les électrons peuvent traverser le germanane dix fois plus vite à travers le silicium, et cinq fois plus rapide qu'avec le germanium conventionnel. La mesure de la vitesse est appelée mobilité électronique.

    Avec sa grande mobilité, Le germanane pourrait ainsi supporter la charge accrue des futures puces informatiques de grande puissance.

    « La mobilité est importante, parce que les puces informatiques plus rapides ne peuvent être fabriquées qu'avec des matériaux de mobilité plus rapides, " a déclaré Golberger. " Lorsque vous réduisez les transistors à de petites échelles, vous devez utiliser des matériaux à mobilité plus élevée ou les transistors ne fonctionneront tout simplement pas, " expliqua Goldberger.

    Prochain, l'équipe va explorer comment ajuster les propriétés du germanane en modifiant la configuration des atomes dans la couche unique.


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