Les transistors de plus en plus petits sont la clé d'un traitement informatique plus rapide et plus efficace. Depuis les années 1970, les progrès de l'électronique ont été largement motivés par le rythme soutenu avec lequel ces minuscules composants sont devenus simultanément plus petits et plus puissants, jusqu'à leurs dimensions actuelles à l'échelle nanométrique. Mais ces dernières années ont vu ce progrès se stabiliser, alors que les chercheurs se demandent si les transistors ont finalement atteint leur limite de taille. En haut de la liste des obstacles qui s'opposent à la poursuite de la miniaturisation :les problèmes causés par le « courant de fuite ».

Le courant de fuite se produit lorsque l'écart entre deux électrodes métalliques se rétrécit au point que les électrons ne sont plus contenus par leurs barrières, un phénomène connu sous le nom d'effet tunnel de la mécanique quantique. Alors que l'écart continue de diminuer, cette conduction tunnel augmente à une vitesse exponentiellement plus élevée, rendant la miniaturisation supplémentaire extrêmement difficile. Le consensus scientifique a longtemps soutenu que les barrières à vide représentent le moyen le plus efficace pour réduire le creusement de tunnels, ce qui en fait la meilleure option globale pour isoler les transistors. Cependant, même les barrières à vide peuvent permettre certaines fuites dues à l'effet tunnel quantique.

Dans une collaboration hautement interdisciplinaire, chercheurs de Columbia Engineering, Département de chimie de l'Université de Columbia, Université normale de Shanghai, et l'Université de Copenhague ont bouleversé la sagesse conventionnelle, synthétiser la première molécule capable d'isoler à l'échelle nanométrique plus efficacement qu'une barrière sous vide. Leurs conclusions sont publiées en ligne aujourd'hui dans La nature .

« Nous avons atteint le point où il est essentiel pour les chercheurs de développer des solutions créatives pour reconcevoir les isolants. Notre stratégie moléculaire représente un nouveau principe de conception pour les dispositifs classiques, avec le potentiel de soutenir la miniaturisation continue à court terme, " a déclaré Latha Venkataraman, physicienne et co-auteure de Columbia Engineering, qui dirige le laboratoire où le chercheur Haixing Li a mené les travaux expérimentaux du projet. La synthèse moléculaire a été réalisée dans le laboratoire Colin Nuckolls du département de chimie de Columbia, en partenariat avec Shengxiong Xiao à l'Université normale de Shanghai.

L'idée de l'équipe était d'exploiter la nature ondulatoire des électrons. En concevant une molécule à base de silicium extrêmement rigide de moins de 1 nm de longueur qui présentait des signatures d'interférences destructrices complètes, ils ont conçu une nouvelle technique pour bloquer la conduction tunnel à l'échelle nanométrique.

"Cette approche basée sur les interférences quantiques établit une nouvelle norme pour les molécules isolantes courtes, " a déclaré l'auteur principal Marc Garner, chimiste au Solomon Lab de l'Université de Copenhague, qui s'occupait du travail théorique. "Théoriquement, les interférences peuvent conduire à une annulation complète de la probabilité de tunnellisation, et nous avons montré que le composant isolant de notre molécule est moins conducteur qu'un espace vide de mêmes dimensions. À la fois, nos travaux améliorent également les recherches récentes sur les systèmes à base de carbone, qui étaient considérés jusqu'à présent comme les meilleurs isolants moléculaires."

L'interférence quantique destructrice se produit lorsque les pics et les creux de deux ondes sont placés exactement hors de phase, annulant les oscillations. Les ondes électroniques peuvent être considérées comme analogues aux ondes sonores :elles traversent les barrières tout comme les ondes sonores « fuient » à travers les murs. Les propriétés uniques présentées par la molécule synthétique de l'équipe ont atténué l'effet tunnel sans nécessiter, dans cette analogie, un mur plus épais.

Leur stratégie basée sur le silicium présente également une solution potentiellement plus prête pour l'usine. Alors que les récentes recherches sur les nanotubes de carbone sont prometteuses pour des applications industrielles au cours de la prochaine décennie, cet isolant, compatible avec les normes actuelles de l'industrie, pourrait être plus facilement mis en œuvre.

«                                                                                                                                                                                                                , " a déclaré Mark Ratner, un pionnier dans le domaine de l'électronique moléculaire et professeur émérite à l'Université Northwestern qui n'a pas participé à l'étude. "L'utilisation d'interférences pour créer un isolant a été ignorée jusqu'à ce jour. Cet article démontre la capacité d'interférence, dans un système sigma à base de silicium, ce qui est assez impressionnant."

Cette percée est née du projet plus vaste de l'équipe sur l'électronique des molécules à base de silicium, commencé en 2010. Le groupe est arrivé à sa dernière découverte en renversant la tendance. La plupart des recherches dans ce domaine visent à créer des molécules hautement conductrices, car une faible conductance est rarement considérée comme une propriété souhaitable en électronique. Pourtant, les composants isolants peuvent en fait s'avérer d'une plus grande valeur pour l'optimisation future des transistors, en raison des inefficacités énergétiques inhérentes causées par les courants de fuite dans les appareils plus petits.

Par conséquent, leurs travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents fondamentaux de la conduction et de l'isolation dans les dispositifs à l'échelle moléculaire. Les chercheurs s'appuieront sur ces connaissances en clarifiant ensuite les détails des relations structure-fonction dans les composants moléculaires à base de silicium.

« Ce travail a été extrêmement gratifiant pour nous, car au cours de celle-ci, nous avons découvert à plusieurs reprises de nouveaux phénomènes, " a déclaré Venkataraman. " Nous avons déjà montré que les fils moléculaires de silicium peuvent fonctionner comme des commutateurs, et maintenant nous avons démontré qu'en modifiant leur structure, nous pouvons créer des isolants. Il y a beaucoup à apprendre dans ce domaine qui contribuera à façonner l'avenir de l'électronique à l'échelle nanométrique. »

L'étude s'intitule « Suppression complète de la conductance d'une molécule unique à l'aide d'interférences sigma destructrices ».