Un seul nanotube de carbone (CNT) est développé entre deux contacts. Les extrémités ont été revêtues par dépôt en phase vapeur de palladium pour se connecter au canal du transistor suspendu. (Photo :M. Muoth / EPF Zurich)
Des chercheurs suisses ont construit un transistor dont l'élément crucial est un nanotube de carbone, suspendu entre deux contacts, avec des propriétés électroniques exceptionnelles. Une nouvelle approche de fabrication a permis aux scientifiques de construire un transistor sans hystérésis de grille. Cela ouvre de nouvelles voies pour fabriquer des nano-capteurs et des composants qui consomment particulièrement peu d'énergie.
Les limites de la microtechnique conventionnelle, à base principalement de silicium, ont été atteints. Plus petit et meilleur n'est possible qu'en utilisant de nouveaux matériaux et technologies. C'est pourquoi la recherche espère de grandes choses des nanotubes de carbone (CNT), des tubules ultra-minuscules de quelques nanomètres de diamètre, en carbone pur.
Les NTC ont une structure remarquable, propriétés mécaniques et électroniques. Le groupe de recherche dirigé par Christofer Hierold, Professeur de micro et nanosystèmes à l'ETH Zurich, vise à les utiliser dans des composants nanoélectroniques. Lui et son groupe de recherche, en particulier le doctorant Matthias Muoth, ont maintenant réussi à construire un transistor à effet de champ sans hystérésis basé sur un CNT individuel avec des nano-contacts métalliques. Les chercheurs l'ont rapporté récemment dans "Nature Nanotechnology".
Pour construire le transistor, les chercheurs ont laissé pousser un seul CNT entre deux pointes en polysilicium. Pour un bon contact électrique, ils vaporisaient du palladium métallique sur les extrémités du tubule d'une manière très précise. Les scientifiques ont inclus un couvercle coulissant, le masque d'ombre, pour protéger la section médiane du CNT d'une métallisation indésirable. Un substrat de silicium, également revêtu de métal et positionné trois microns en dessous du CNT, a agi comme un terminal de contrôle appelé gate.
La fabrication réussie du transistor avec le CNT et l'interfaçage précis de ses extrémités avec du palladium ne sont pas les seuls aspects décisifs pour Christofer Hierold. Il considère que la percée est le fait que le transistor n'affiche pas ce qu'on appelle l'hystérésis de grille. L'hystérésis est absente même à une humidité atmosphérique de 45 pour cent. Il considère cela comme "un pas en avant considérable pour les composants destinés à être utilisés comme capteurs".
L'hystérésis représente les propriétés indésirables d'un système électronique. Par exemple, si la tension à la grille de commande du transistor est augmentée puis réduite à nouveau, il peut y avoir un décalage indésirable de la tension de seuil du transistor. Les propriétés du transistor à un point de fonctionnement dépendent alors de son histoire, par exemple sur les tensions de grille auxquelles il a été préalablement exposé. Ces décalages indésirables de la tension de seuil proviennent également de charges qui peuvent être piégées sur des défauts dans les NTC ou dans les oxydes à leur voisinage.
Une telle hystérésis n'est pas observée et les chercheurs considèrent cela comme le signe d'un arrangement de transistors particulièrement de haute qualité avec un faible défaut, NTC de haute pureté.
Le transistor innovant à contacts (S, RÉ), le substrat jouant le rôle de grille (G) et le masque perforé protégeant le nanotube de carbone lors de l'évaporation du métal de contact. (Photo :M. Muoth / EPF Zurich)
Le nouveau composant ouvre des possibilités d'application intéressantes pour les capteurs et autres composants nano-électromécaniques. Par exemple, le transistor pourrait être utilisé dans des capteurs de gaz ou des jauges de contrainte hautement sensibles, et aussi dans un arrangement de résonateur comme une nano-balance. Les transistors CNT pourraient également être très utiles comme filtres pour recevoir la bonne fréquence dans les téléphones portables, car ils sont plus petits et consomment moins d'énergie que les filtres de fréquence conventionnels. Cela implique l'utilisation d'une excitation électromécanique pour faire vibrer un CNT avec une fréquence caractéristique comme une corde de guitare. Toutes les autres fréquences, d'autre part, sont incapables d'exciter le nanotube. Selon le professeur de l'ETH, "On espère que ces filtres nano-électromécaniques seront meilleurs que les filtres purement électroniques." Il dit que, dans tous les cas, l'un des grands avantages des nouveaux composants est leur faible consommation d'énergie.
Hierold dit que la miniaturisation du transistor n'est pas encore terminée. Seul le NTC sous forme de nano-structure d'un diamètre de un à trois nanomètres et, comme montré ici, avec des longueurs de canaux aussi courtes que 30 nanomètres et peut-être moins a été « miniaturisé ». Le professeur souligne que « nous utilisons toujours la technologie conventionnelle pour structurer les pointes et le masque d'ombre du nouveau composant ».
La nouvelle technologie n'a pas encore progressé au point où elle remplacerait bientôt les transistors du type utilisé dans les puces informatiques actuelles. Cependant, Hierold souligne que « Nous avons maintenant créé un composant qui nous permet de faire un grand pas en avant, en particulier dans la technologie des micro- et nanosystèmes, c'est-à-dire dans le domaine des matériaux fonctionnels intégrés pour capteurs et actionneurs.
