Une équipe de chercheurs de l'Université de Californie, Le Bourns College of Engineering de Riverside a résolu un problème qui présentait auparavant un sérieux obstacle à l'utilisation du graphène dans les appareils électroniques.

Image de microscopie électronique à balayage du dispositif au graphène utilisé dans l'étude. La barre d'échelle est d'un micromètre. Le logo UCR à côté est implémenté avec du graphène gravé.

Le graphène est un cristal de carbone épais à un seul atome doté de propriétés uniques bénéfiques pour l'électronique, notamment une mobilité électronique extrêmement élevée et une conductivité thermique des phonons. Cependant, le graphène n'a pas de bande interdite énergétique, qui est une propriété spécifique des matériaux semi-conducteurs qui séparent les électrons des trous et permet d'éteindre complètement un transistor réalisé avec un matériau donné.

Un transistor implémenté avec du graphène sera très rapide mais souffrira de courants de fuite et de dissipation de puissance à l'état bloqué en raison de l'absence de la bande interdite énergétique. Les efforts pour induire une bande interdite dans le graphène via le confinement quantique ou la fonctionnalisation de surface n'ont pas abouti à une percée. Cela a laissé les scientifiques se demander si les applications du graphène dans les circuits électroniques pour le traitement de l'information étaient réalisables.

L'équipe UC Riverside - Alexander Balandin et Roger Lake, tous deux professeurs d'électrotechnique, Alexandre Khitun, professeur agrégé de génie électrique, et Guanxiong Liu et Sonia Ahsan, qui ont tous deux obtenu leur doctorat de l'UC Riverside tout en travaillant sur cette recherche - a éliminé ce doute.

"La plupart des chercheurs ont essayé de changer le graphène pour le rendre plus semblable aux semi-conducteurs conventionnels pour des applications dans les circuits logiques, " Balandin a déclaré. "Cela entraîne généralement une dégradation des propriétés du graphène. Par exemple, les tentatives d'induire une bande interdite d'énergie entraînent généralement une diminution de la mobilité des électrons tout en ne conduisant toujours pas à une bande interdite suffisamment grande.

"Nous avons décidé d'adopter une approche alternative, " Balandin a déclaré. "Au lieu d'essayer de changer le graphène, nous avons changé la façon dont l'information est traitée dans les circuits."

L'équipe UCR a démontré que la résistance différentielle négative observée expérimentalement dans les transistors à effet de champ au graphène permet la construction d'architectures informatiques non booléennes viables avec le graphène sans écart. La résistance différentielle négative - observée sous certains schémas de polarisation - est une propriété intrinsèque du graphène résultant de sa structure de bande symétrique. La version avancée de l'article avec les résultats de l'UCR est accessible à l'adresse http://arxiv.org/abs/1308.2931.

Logique numérique moderne, qui est utilisé dans les ordinateurs et les téléphones portables, est basé sur l'algèbre booléenne implémentée dans des circuits à semi-conducteurs. Il utilise des zéros et des uns pour coder et traiter les informations. Cependant, la logique booléenne n'est pas la seule façon de traiter l'information. L'équipe de l'UC Riverside a proposé d'utiliser des caractéristiques courant-tension spécifiques du graphène pour construire l'architecture logique non booléenne, qui utilise les principes des réseaux non linéaires.

Les transistors au graphène pour cette étude ont été construits et testés par Liu au Nano-Device Laboratory de Balandin à UC Riverside. Les processus physiques conduisant à des caractéristiques électriques inhabituelles ont été simulés à l'aide de modèles atomistiques par Ahsan, qui travaillait sous le lac. Khitun a fourni une expertise sur les architectures logiques non booléennes.

La modélisation atomistique menée dans le groupe de Lake montre que la résistance différentielle négative apparaît non seulement dans les dispositifs de graphène de taille microscopique mais aussi à l'échelle nanométrique, qui permettrait la fabrication de circuits extrêmement petits et de faible puissance.

L'approche proposée pour les circuits de graphène présente un changement conceptuel dans la recherche sur le graphène et indique une voie alternative pour les applications du graphène dans le traitement de l'information selon l'équipe de l'UC Riverside.