La structure atomique d'un matériau ferroélectrique présente l'effet dit de "capacité négative". S'il est intégré avec succès dans les transistors, cela pourrait réduire considérablement l'électricité nécessaire au fonctionnement des processeurs informatiques et d'autres dispositifs dépendants des transistors. Crédit :Suraj S. Cheema
(Phys.org)—Un article publié aujourd'hui par la revue Matériaux naturels décrit la première observation directe d'un phénomène longtemps hypothétique mais insaisissable appelé "capacité négative". L'ouvrage décrit une réaction unique de charge électrique à la tension appliquée dans un matériau ferroélectrique qui pourrait ouvrir la porte à une réduction radicale de la puissance consommée par les transistors et les dispositifs les contenant.
La capacité est la capacité d'un matériau à stocker une charge électrique. Les condensateurs ordinaires, présents dans pratiquement tous les appareils électroniques, stockent la charge lorsqu'une tension leur est appliquée. Le nouveau phénomène a une réponse paradoxale :lorsque la tension appliquée est augmentée, la charge baisse. D'où son nom, capacité négative.
"Cette propriété, s'il est intégré avec succès dans des transistors, pourrait réduire la quantité d'énergie qu'ils consomment d'au moins un ordre de grandeur, et peut-être bien plus, ", déclare l'auteur principal du journal, Asif Khan. Cela conduirait à des batteries de téléphone portable plus durables, des ordinateurs de tous types moins énergivores, et, peut-être encore plus important, pourrait prolonger de plusieurs décennies la tendance à aller plus vite, processeurs plus petits qui ont défini la révolution numérique depuis sa naissance.
Sans une percée majeure de ce genre, la tendance à la miniaturisation et à l'augmentation de la fonction est menacée par les exigences physiques des transistors fonctionnant à l'échelle nanométrique. Même si les minuscules interrupteurs peuvent être encore plus petits, la quantité d'énergie dont ils ont besoin pour être allumés et éteints ne peut être réduite que dans une certaine mesure. Cette limite est définie par ce que l'on appelle la distribution des électrons de Boltzmann, souvent appelée la tyrannie de Boltzmann. Parce qu'ils doivent être alimentés en une quantité irréductible d'électricité, les transistors ultra-petits qui sont trop serrés ne peuvent pas dissiper la chaleur qu'ils génèrent pour éviter l'auto-immolation.
Dans une dizaine d'années, les ingénieurs épuiseront les options pour emballer plus de puissance de calcul dans des espaces toujours plus petits, une conséquence appréhendée par les fabricants d'appareils, développeurs de capteurs, et un public accro à des appareils toujours plus petits et plus puissants.
La nouvelle recherche, menée à l'UC Berkeley sous la direction du chercheur CITRIS et professeur agrégé de génie électrique et d'informatique Sayeef Salahuddin, fournit un moyen possible de surmonter la tyrannie de Boltzmann. Elle repose sur la capacité de certains matériaux à stocker de l'énergie de manière intrinsèque puis à l'exploiter pour amplifier la tension d'entrée. Cela pourrait, en effet, potentiellement "tromper" un transistor en lui faisant croire qu'il a reçu le minimum de tension nécessaire pour fonctionner. Le résultat :moins d'électricité est nécessaire pour allumer ou éteindre un transistor, qui est l'opération universelle au cœur de tout traitement informatique.
Le matériau utilisé pour obtenir une capacité négative appartient à une classe de matériaux cristallins appelés ferroélectriques, qui a été décrit pour la première fois dans les années 1940. Ces matériaux ont longtemps été recherchés pour des applications de mémoire et des technologies de stockage commerciales. Les ferroélectriques sont également des matériaux populaires pour les circuits de contrôle de fréquence et de nombreuses applications de systèmes microélectromécaniques (MEMS). Cependant, la possibilité d'utiliser ces matériaux pour des transistors économes en énergie a été proposée pour la première fois par Salahuddin en 2008, juste avant de rejoindre Berkeley en tant que professeur assistant.
Au cours des six dernières années, Khan, l'un des premiers étudiants diplômés de Salahuddin à Berkeley, a utilisé des lasers à impulsions pour faire croître de nombreux types de matériaux ferroélectriques et a conçu et révisé des méthodes ingénieuses pour tester leur capacité négative.
En plus de transformer le fonctionnement des transistors, la capacité négative pourrait également être utilisée pour développer des dispositifs de stockage de mémoire à haute densité, super condensateurs, oscillateurs et résonateurs sans bobine, et pour récupérer l'énergie de l'environnement.
L'exploitation de la capacité négative des ferroélectriques fait partie d'une liste de stratégies pour réduire le coût par joule du stockage d'un seul bit d'information, déclare le professeur de science des matériaux à l'UC Berkeley, ingénierie, et physique Ramamoorthy Ramesh, un autre des auteurs de l'article. Les décennies de travaux fondateurs de Ramesh sur les matériaux ferroélectriques et les structures de dispositifs pour les manipuler sont à la base des découvertes du groupe.
"Nous venons de lancer un programme appelé le programme attojoule-par-bit. C'est un effort pour réduire l'énergie totale consommée pour manipuler un bit à un attojoule (10-18), " dit Ramesh. Pour atteindre ce type de consommation d'énergie par bit, nous devons tirer parti de toutes les voies possibles. La capacité négative des ferroélectriques va être très importante, " il dit.
Ce travail a été rendu possible grâce à l'accès au laboratoire de nanofabrication Marvell du CITRIS, un centre de recherche sur le campus de l'UC Berkeley qui encourage spécifiquement l'exploration de nouveaux matériaux et procédés. L'un des laboratoires universitaires de nanofabrication les plus avancés de ce type au monde, le NanoLab est le berceau d'autres technologies révolutionnaires, comme le transistor FinFET tridimensionnel qui a ouvert la voie à une évolution bien au-delà des limites des transistors ordinaires. "Aujourd'hui, " dit le professeur Ming Wu, Directeur de la faculté Marvell NanoLab, "Chaque transistor conçu pour les microprocesseurs ou ordinateurs de nouvelle génération est FinFET."
"Le Marvell NanoLab de CITRIS dispose d'équipements de pointe pour la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs et de circuits intégrés, " dit Wu. "Mais nous prenons ces outils et capacités et les appliquons à des matériaux qui sont si nouveaux que les laboratoires de fabrication de l'industrie ne les toucheraient pas. De nouveaux matériaux comme ces ferroélectriques à capacité négative ne sont pas seulement les bienvenus ici, ils sont activement encouragés."
"L'étape suivante, " dit Salahuddin, "est d'essayer de fabriquer de vrais transistors de telle sorte qu'ils puissent exploiter le nouveau phénomène, Nous devons nous assurer qu'ils sont compatibles avec le traitement du silicium, qu'ils sont manufacturables, et que les techniques de mesure que nous avons maintenant prouvées en principe sont pratiques et évolutives."
