Une nouvelle étude menée par des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute détaille comment l'empilement de nanorubans de graphène peut augmenter la capacité du matériau à transmettre des charges électriques. La découverte soutient en outre l'idée que le graphène pourrait un jour remplacer le cuivre traditionnel en tant que meilleur matériau pour les interconnexions qui transmettent des données et de l'énergie autour des puces informatiques. Crédit :Rensselaer/Nayak
Les jours du cuivre sont comptés, et une nouvelle étude du Rensselaer Polytechnic Institute pourrait accélérer la chute du métal omniprésent dans les téléphones intelligents, ordinateurs tablettes, et presque tous les appareils électroniques. C'est une bonne nouvelle pour les technophiles qui recherchent des plus petits, appareils plus rapides.
Alors que les nouvelles générations de puces informatiques continuent de diminuer en taille, il en va de même pour les chemins de cuivre qui transportent l'électricité et l'information dans le labyrinthe de transistors et de composants. Lorsque ces voies, appelées interconnexions, deviennent plus petites, ils deviennent moins efficaces, consommer plus d'énergie, et sont plus enclins à l'échec permanent.
Pour surmonter cet obstacle, l'industrie et le milieu universitaire recherchent vigoureusement de nouveaux candidats pour succéder au cuivre traditionnel comme matériau de choix pour les interconnexions sur les puces informatiques. Un candidat prometteur est le graphène, une feuille d'atomes de carbone de l'épaisseur d'un atome disposée comme une clôture en grillage à l'échelle nanométrique. Prisé des chercheurs pour ses propriétés uniques, Le graphène est essentiellement une seule couche du graphite que l'on trouve couramment dans nos crayons ou le charbon de bois que nous brûlons sur nos barbecues.
Dirigé par Rensselaer Professeur Saroj Nayak, une équipe de chercheurs a découvert qu'ils pouvaient améliorer la capacité du graphène à transmettre de l'électricité en empilant plusieurs minces rubans de graphène les uns sur les autres. L'étude, publié dans la revue ACS Nano , rapproche l'industrie de la réalisation de la nanoélectronique du graphène et nomme le graphène comme l'héritier présomptif du cuivre.
"Le graphène présente un énorme potentiel d'utilisation dans les interconnexions, et l'empilement du graphène montre un moyen viable de produire en masse ces structures, " dit Nayak, professeur au Département de physique, Physique appliquée, et l'Astronomie à Rensselaer. "Les limites de Cooper sont évidentes, comme les interconnexions en cuivre de plus en plus petites souffrent de flux d'électrons lents qui se traduisent par une augmentation de la température, appareils moins fiables. Notre nouvelle étude plaide en faveur de la possibilité que des piles de rubans de graphène aient ce qu'il faut pour être utilisées comme interconnexions dans les circuits intégrés. »
L'étude, basé sur des simulations quantiques à grande échelle, a été menée à l'aide du Rensselaer Computational Center for Nanotechnology Innovations (CCNI), l'un des supercalculateurs universitaires les plus puissants au monde.
Les interconnexions en cuivre souffrent d'une variété de problèmes indésirables, qui deviennent de plus en plus importantes à mesure que la taille des interconnexions diminue. Les électrons traversent lentement les nanofils de cuivre et génèrent une chaleur intense. Par conséquent, les électrons « entraînent » avec eux des atomes de cuivre. Ces atomes égarés augmentent la résistance électrique du fil de cuivre, et dégrader la capacité du fil à transporter des électrons. Cela signifie que moins d'électrons sont capables de traverser le cuivre avec succès, et tous les électrons persistants sont exprimés en chaleur. Cette chaleur peut avoir des effets négatifs sur la vitesse et les performances d'une puce informatique.
Il est généralement admis qu'un remplacement de qualité pour le cuivre traditionnel doit être découvert et perfectionné au cours des cinq à dix prochaines années afin de perpétuer davantage la loi de Moore - un mantra de l'industrie qui indique le nombre de transistors sur une puce informatique, et donc la vitesse de la puce, devrait doubler tous les 18 à 24 mois.
Le travail récent de Nayak, publié dans la revue ACS Nano, est intitulé « Effet de l'empilement de couches sur la structure électronique des nanorubans de graphène ». Une fois coupé en nanorubans, le graphène est connu pour présenter une bande interdite - un écart énergétique entre les bandes de valence et de conduction - qui est une propriété peu attrayante pour les interconnexions. La nouvelle étude montre qu'empiler les nanorubans de graphène les uns sur les autres, cependant, pourrait réduire considérablement cette bande interdite. L'étude peut être consultée en ligne à l'adresse :http://dx.doi.org/10.1021/nn200941u
"L'épaisseur optimale est un empilement de quatre à six couches de graphène, " dit Neerav Kharche, premier auteur de l'étude et informaticien au CCNI. « L'empilement de plusieurs couches au-delà de cette épaisseur ne réduit pas davantage la bande interdite. »
La destination finale, Nayak a dit, est de fabriquer un jour des microprocesseurs, à la fois les interconnexions et les transistors, entièrement en graphène. Cet objectif qui change la donne, appelée intégration monolithique, signifierait la fin de la longue ère des interconnexions en cuivre et des transistors en silicium.
"Une telle avancée est probablement encore de nombreuses années dans le futur, mais cela va certainement révolutionner la façon dont presque tous les ordinateurs et appareils électroniques sont conçus et fabriqués, " a déclaré Nayak.
