Le silicium est l'un des éléments les plus abondants sur Terre et, dans sa forme pure, ce matériau est devenu la base d'une grande partie de la technologie moderne, des cellules solaires aux puces informatiques. Mais les propriétés du silicium en tant que semi-conducteur sont loin d'être idéales.

D'une part, bien que le silicium laisse passer facilement les électrons à travers sa structure, il s'adapte beaucoup moins aux "trous" - les homologues chargés positivement des électrons - et exploiter les deux est important pour certains types de puces. De plus, le silicium n'est pas très bon pour conduire la chaleur, c'est pourquoi les problèmes de surchauffe et les systèmes de refroidissement coûteux sont courants dans les ordinateurs.

Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT, de l'Université de Houston et d'autres institutions a mené des expériences montrant qu'un matériau connu sous le nom d'arséniure de bore cubique surmonte ces deux limitations. Il offre une grande mobilité aux électrons et aux trous et possède une excellente conductivité thermique. C'est, selon les chercheurs, le meilleur matériau semi-conducteur jamais trouvé, et peut-être le meilleur possible.

Jusqu'à présent, l'arséniure de bore cubique n'a été fabriqué et testé que dans de petits lots à l'échelle du laboratoire qui ne sont pas uniformes. Les chercheurs ont dû utiliser des méthodes spéciales développées à l'origine par l'ancien post-doctorant du MIT Bai Song pour tester de petites régions dans le matériau. Des travaux supplémentaires seront nécessaires pour déterminer si l'arséniure de bore cubique peut être fabriqué sous une forme pratique et économique, et encore moins remplacer le silicium omniprésent. Mais même dans un avenir proche, le matériau pourrait trouver des utilisations où ses propriétés uniques feraient une différence significative, selon les chercheurs.

Les résultats sont rapportés dans la revue Science , dans un article du post-doctorant au MIT Jungwoo Shin et du professeur de génie mécanique au MIT Gang Chen; Zhifeng Ren de l'Université de Houston; et 14 autres au MIT, à l'Université de Houston, à l'Université du Texas à Austin et au Boston College.

Des recherches antérieures, y compris les travaux de David Broido, co-auteur du nouvel article, avaient théoriquement prédit que le matériau aurait une conductivité thermique élevée; des travaux ultérieurs ont prouvé expérimentalement cette prédiction. Ce dernier travail complète l'analyse en confirmant expérimentalement une prédiction faite par le groupe de Chen en 2018 :que l'arséniure de bore cubique aurait également une mobilité très élevée pour les électrons et les trous, "ce qui rend ce matériau vraiment unique", explique Chen.

Les expériences précédentes ont montré que la conductivité thermique de l'arséniure de bore cubique est presque 10 fois supérieure à celle du silicium. "Donc, c'est très intéressant juste pour la dissipation de la chaleur", dit Chen. Ils ont également montré que le matériau a une très bonne bande interdite, une propriété qui lui confère un grand potentiel en tant que matériau semi-conducteur.

Maintenant, le nouveau travail complète le tableau, montrant qu'avec sa grande mobilité pour les électrons et les trous, l'arséniure de bore possède toutes les principales qualités nécessaires pour un semi-conducteur idéal. "C'est important parce que bien sûr, dans les semi-conducteurs, nous avons des charges positives et négatives équivalentes. Donc, si vous construisez un appareil, vous voulez avoir un matériau où les électrons et les trous se déplacent avec moins de résistance", explique Chen.

Le silicium a une bonne mobilité électronique mais une faible mobilité des trous, et d'autres matériaux tels que l'arséniure de gallium, largement utilisé pour les lasers, ont également une bonne mobilité pour les électrons mais pas pour les trous.

"La chaleur est désormais un goulot d'étranglement majeur pour de nombreux appareils électroniques", déclare Shin, l'auteur principal de l'article. "Le carbure de silicium remplace le silicium pour l'électronique de puissance dans les principales industries des véhicules électriques, y compris Tesla, car il a une conductivité thermique trois fois plus élevée que le silicium malgré ses mobilités électriques plus faibles. Imaginez ce que les arséniures de bore peuvent réaliser, avec une conductivité thermique 10 fois plus élevée et une mobilité beaucoup plus élevée que silicium. Cela peut changer la donne."

Shin ajoute :"L'étape critique qui rend cette découverte possible est les progrès des systèmes de réseau laser ultrarapides au MIT", initialement développés par Song. Sans cette technique, dit-il, il n'aurait pas été possible de démontrer la grande mobilité du matériau pour les électrons et les trous.

Les propriétés électroniques de l'arséniure de bore cubique ont été initialement prédites sur la base des calculs de la fonction de densité mécanique quantique effectués par le groupe de Chen, dit-il, et ces prédictions ont maintenant été validées par des expériences menées au MIT, en utilisant des méthodes de détection optique sur des échantillons fabriqués par Ren et des membres de l'équipe de l'Université de Houston.

Selon les chercheurs, la conductivité thermique du matériau est non seulement la meilleure de tous les semi-conducteurs, mais il possède la troisième meilleure conductivité thermique de tous les matériaux, après le diamant et le nitrure de bore cubique enrichi en isotopes. "Et maintenant, nous avons prédit le comportement de la mécanique quantique des électrons et des trous, également à partir des premiers principes, et cela s'est également avéré vrai", a déclaré Chen.

"C'est impressionnant, car je ne connais en fait aucun autre matériau, autre que le graphène, qui possède toutes ces propriétés", dit-il. "Et ceci est un matériau en vrac qui a ces propriétés."

Le défi maintenant, dit-il, est de trouver des moyens pratiques de fabriquer ce matériau en quantités utilisables. Les méthodes actuelles de fabrication produisent un matériau très non uniforme, de sorte que l'équipe a dû trouver des moyens de tester uniquement de petites parcelles locales du matériau qui étaient suffisamment uniformes pour fournir des données fiables. Bien qu'ils aient démontré le grand potentiel de ce matériau, "nous ne savons pas si ni où il sera réellement utilisé", déclare Chen.

"Le silicium est le cheval de bataille de toute l'industrie", déclare Chen. "Alors, d'accord, nous avons un matériau qui est meilleur, mais va-t-il réellement compenser l'industrie ? Nous ne savons pas." Bien que le matériau semble être presque un semi-conducteur idéal, "qu'il puisse réellement entrer dans un appareil et remplacer une partie du marché actuel, je pense que cela reste encore à prouver."

Et bien que les propriétés thermiques et électriques se soient avérées excellentes, il existe de nombreuses autres propriétés d'un matériau qui n'ont pas encore été testées, telles que sa stabilité à long terme, explique Chen. "Pour fabriquer des appareils, il existe de nombreux autres facteurs que nous ne connaissons pas encore."

Il ajoute:"Cela pourrait potentiellement être très important, et les gens n'ont même pas vraiment prêté attention à ce matériel." Maintenant que les propriétés souhaitables de l'arséniure de bore sont devenues plus claires, ce qui suggère que le matériau est "à bien des égards le meilleur semi-conducteur", dit-il, "peut-être qu'on accordera plus d'attention à ce matériau."

Pour des utilisations commerciales, dit Ren, "Un grand défi serait de savoir comment produire et purifier l'arséniure de bore cubique aussi efficacement que le silicium. … Le silicium a mis des décennies à remporter la couronne, avec une pureté de plus de 99,99999999%, ou '10 neuf' pour la production de masse aujourd'hui."

Pour que cela devienne pratique sur le marché, dit Chen, "il faut vraiment que plus de gens développent différentes façons de fabriquer de meilleurs matériaux et de les caractériser". Il reste à voir si le financement nécessaire à un tel développement sera disponible, dit-il.