Les circuits intégrés traditionnels à base de silicium se retrouvent dans de nombreuses applications, des gros serveurs de données aux voitures en passant par les téléphones portables. Leur intégration généralisée est due en partie à la capacité de l'industrie des semi-conducteurs à continuer à fournir des performances fiables et évolutives pendant des décennies.
Cependant, tandis que les circuits à base de silicium continuent de diminuer en taille dans la poursuite incessante de la loi de Moore - la prédiction selon laquelle le nombre de transistors pouvant tenir sur un circuit intégré double tous les deux ans - la consommation d'énergie augmente rapidement. En outre, l'électronique au silicium conventionnelle ne fonctionne pas bien dans des environnements extrêmes tels que des températures élevées ou des radiations.
Dans un effort pour soutenir l'avancée de ces appareils tout en réduisant la consommation d'énergie, diverses communautés de recherche recherchent des technologies hybrides ou alternatives. La technologie des commutateurs nanoélectromécaniques (NEM) est une option très prometteuse.
"Les commutateurs NEM sont constitués d'une nanostructure (telle qu'un nanotube de carbone ou un nanofil) qui dévie mécaniquement sous les forces électrostatiques pour établir ou rompre le contact avec une électrode, " dit Horacio Espinosa, James N. et Nancy J. Farley Professeur de fabrication et d'entrepreneuriat à la McCormick School of Engineering de la Northwestern University.
commutateurs NEM, qui peut être conçu pour fonctionner comme un transistor au silicium, peut être utilisé dans des dispositifs autonomes ou hybrides NEM-silicium. Ils offrent à la fois une consommation d'énergie ultra-faible et une forte tolérance aux températures élevées et à l'exposition aux rayonnements.
Compte tenu de leur potentiel, Au cours de la dernière décennie, une attention particulière a été portée au développement de dispositifs NEM hybrides et autonomes. Cette décennie de progrès est passée en revue par le groupe d'Espinosa dans le numéro actuel de la revue Nature Nanotechnologie. Leur examen fournit une discussion complète du potentiel de ces technologies, ainsi que les principaux défis associés à leur adoption.
Par exemple, un défi de longue date a été de créer des réseaux de millions de nanostructures, comme les nanotubes de carbone, qui sont utilisés pour fabriquer ces appareils NEM. (Pour le point de vue, l'électronique au silicium moderne peut avoir des milliards de transistors sur une seule puce.) L'examen des chercheurs décrit les méthodes démontrées à ce jour pour créer ces réseaux, et comment ils peuvent ouvrir la voie à la réalisation de dispositifs hybrides NEM-CMOS à grande échelle.
De la même manière, tandis que les appareils NEM individuels affichent des performances extrêmement élevées, il s'est avéré difficile jusqu'à présent de les faire fonctionner de manière fiable pendant des millions de cycles, ce qui est nécessaire s'ils doivent être utilisés dans l'électronique grand public. La revue détaille les différents modes de défaillance et décrit des méthodes prometteuses pour les surmonter.
Un exemple des avancées qui facilitent l'amélioration de la robustesse des technologies de commutation NEM est présenté dans le numéro actuel d'Advanced Materials. Ici, Espinosa et son groupe montrent comment la sélection de nouveaux matériaux peut grandement améliorer la robustesse des dispositifs hybrides NEM-CMOS et NEM autonomes.
"Les dispositifs NEM avec des électrodes métalliques couramment utilisées échouent souvent par l'un des divers modes de défaillance après seulement quelques cycles d'actionnement, " dit Owen Loh, doctorant à la Northwestern University et co-auteur de l'article, actuellement chez Intel.
Simplement en remplaçant les électrodes métalliques par des électrodes constituées de films de carbone conducteurs de type diamant, le groupe a été en mesure d'améliorer considérablement le nombre de cycles supportés par ces appareils. Les commutateurs qui tombaient en panne à l'origine après moins de 10 cycles fonctionnaient désormais pendant 1 million de cycles sans défaillance. Cette avancée facile mais efficace peut constituer une étape clé vers la réalisation des dispositifs NEM dont le potentiel est souligné dans la récente revue.
Le travail rapporté dans Advanced Materials était une collaboration entre la Northwestern University, le Center for Integrated Nanotechnologies des Sandia National Laboratories, et le Centre des matériaux à l'échelle nanométrique des Laboratoires nationaux d'Argonne. Le financement a été assuré par la National Science Foundation, le bureau de recherche de l'armée, Le département américain de l'Énergie, et le Bureau de la recherche navale.
"Finalement, la réalisation de dispositifs hybrides NEM-CMOS de nouvelle génération permettra la mise à l'échelle continue de l'électronique qui alimente de nombreux systèmes que nous rencontrons quotidiennement, " dit Espinosa. " En même temps, cela nécessitera une poussée continue de la part de l'ingénierie, sciences fondamentales, et les communautés des sciences des matériaux.
