Alors que les scientifiques continuent de rechercher un matériau qui permettra d'emballer plus de transistors sur une puce, de nouvelles recherches de l'Université McGill et de l'Université de Montréal ajoutent aux preuves que le phosphore noir pourrait émerger comme un candidat solide.

Dans une étude publiée aujourd'hui dans Communication Nature , les chercheurs rapportent que lorsque les électrons se déplacent dans un transistor au phosphore, ils ne le font qu'en deux dimensions. La découverte suggère que le phosphore noir pourrait aider les ingénieurs à surmonter l'un des grands défis de l'électronique du futur :la conception de transistors économes en énergie.

"Les transistors fonctionnent plus efficacement lorsqu'ils sont fins, avec des électrons se déplaçant dans seulement deux dimensions, " dit Thomas Szkopek, professeur agrégé au Département de génie électrique et informatique de McGill et auteur principal de la nouvelle étude. "Rien ne devient plus mince qu'une seule couche d'atomes."

En 2004, des physiciens de l'Université de Manchester au Royaume-Uni ont d'abord isolé et exploré les propriétés remarquables du graphène, une couche de carbone d'une épaisseur d'un atome. Depuis lors, les scientifiques se sont précipités pour étudier une gamme d'autres matériaux bidimensionnels. L'un d'eux est le phosphore noir, une forme de phosphore qui est similaire au graphite et peut être facilement séparé en couches atomiques simples, connu sous le nom de phosphorène.

Le phosphorène a suscité un intérêt croissant car il surmonte de nombreux défis liés à l'utilisation du graphène dans l'électronique. Contrairement au graphène, qui agit comme un métal, le phosphore noir est un semi-conducteur naturel :il peut être facilement activé et désactivé.

"Pour abaisser la tension de fonctionnement des transistors, et ainsi réduire la chaleur qu'ils génèrent, nous devons nous rapprocher de plus en plus de la conception du transistor au niveau atomique, " dit Szkopek. " La boîte à outils du futur pour les concepteurs de transistors nécessitera une variété de matériaux à couches atomiques :un semi-conducteur idéal, un métal idéal, et un diélectrique idéal. Les trois composants doivent être optimisés pour un transistor bien conçu. Le phosphore noir remplit le rôle de matériau semi-conducteur."

Le travail est le résultat d'une collaboration multidisciplinaire entre le groupe de recherche en nanoélectronique de Szkopek, le laboratoire de nanosciences du professeur de physique de McGill Guillaume Gervais, et le groupe de recherche en nanostructures du professeur Richard Martel du Département de chimie de l'Université de Montréal.

Pour examiner comment les électrons se déplacent dans un transistor au phosphore, les chercheurs les ont observés sous l'influence d'un champ magnétique dans des expériences réalisées au National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee, FL, le plus grand et le plus puissant laboratoire d'aimants au monde. Cette recherche "fournit des informations importantes sur la physique fondamentale qui dicte le comportement du phosphore noir, " dit Tim Murphy, DC Field Facility Director à l'installation de Floride.

"Ce qui est surprenant dans ces résultats, c'est que les électrons sont capables d'être attirés dans une feuille de charge qui est bidimensionnelle, même s'ils occupent un volume de plusieurs couches atomiques d'épaisseur, " dit Szkopek. Cette découverte est importante car elle pourrait potentiellement faciliter la fabrication du matériau, bien qu'à ce stade "personne ne sache comment fabriquer ce matériau à grande échelle".

« Il y a un grand intérêt émergent dans le monde pour le phosphore noir, " dit Szkopek. " Nous sommes encore loin de voir des transistors à couche atomique dans un produit commercial, mais nous avons maintenant fait un pas de plus."