Les transistors individuels fabriqués à partir de nanotubes de carbone sont plus rapides et plus économes en énergie que ceux fabriqués à partir d'autres matériaux. Passer d'un simple transistor à un circuit intégré plein de transistors, cependant, est un pas de géant.

"Un seul microprocesseur contient un milliard de transistors, " a déclaré Mark Hersam de Northwestern Engineering. " Tous les milliards d'entre eux fonctionnent. Et non seulement ils fonctionnent, mais ils fonctionnent de manière fiable pendant des années, voire des décennies."

Lorsque vous essayez de franchir le pas d'un individu, transistor à base de nanotubes à circuits intégrés à l'échelle d'une plaquette, de nombreuses équipes de recherche, dont Hersam, ont relevé des défis. Pour un, le processus est incroyablement coûteux, nécessitant souvent des salles blanches d'un milliard de dollars pour protéger les délicats composants nanométriques des effets potentiellement nocifs de l'air, l'eau, et de la poussière. Les chercheurs ont également lutté pour créer un circuit intégré à base de nanotubes de carbone dans lequel les transistors sont spatialement uniformes à travers le matériau, ce qui est nécessaire pour que l'ensemble du système fonctionne.

Aujourd'hui, Hersam et son équipe de la Northwestern University ont trouvé une clé pour résoudre tous ces problèmes. Le secret réside dans les couches d'encapsulation nouvellement développées qui protègent les nanotubes de carbone de la dégradation de l'environnement.

Soutenu par l'Office of Naval Research et la National Science Foundation, la recherche apparaît en ligne dans Nature Nanotechnologie le 7 septembre. Tobin J. Marks, le professeur de recherche Vladimir N. Ipatieff de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering, co-auteur de l'article. Michel Geier, un étudiant diplômé du laboratoire d'Hersam, était le premier auteur.

« Une des réalités d'un nanomatériau, tel qu'un nanotube de carbone, est-ce essentiellement tous ses atomes à la surface, " dit Hersam, le professeur Walter P. Murphy de science et d'ingénierie des matériaux. « Donc, tout ce qui touche la surface de ces matériaux peut influencer leurs propriétés. Si nous fabriquions une série de transistors et les laissions en l'air, l'eau et l'oxygène se colleraient à la surface des nanotubes, en les dégradant au fil du temps. Nous avons pensé que l'ajout d'une couche d'encapsulation protectrice pourrait arrêter ce processus de dégradation pour obtenir des durées de vie considérablement plus longues."

Hersam compare sa solution à celle actuellement utilisée pour les diodes électroluminescentes organiques (LED), qui ont connu des problèmes similaires après leur première réalisation. Beaucoup de gens pensaient que les LED organiques n'auraient pas d'avenir car elles se dégradaient dans l'air. Après que les chercheurs aient développé une couche d'encapsulation pour le matériau, les LED organiques sont maintenant utilisées dans de nombreuses applications commerciales, y compris les écrans pour smartphones, autoradios, téléviseurs, et appareils photo numériques. Fabriqué à partir de polymères et d'oxydes inorganiques, La couche d'encapsulation d'Hersam est basée sur la même idée mais adaptée aux nanotubes de carbone.

Pour démontrer la preuve de concept, Hersam a développé des circuits de mémoire statique à accès aléatoire (SRAM) à base de nanotubes. La SRAM est un composant clé de tous les microprocesseurs, constituant souvent jusqu'à 85 % des transistors de l'unité centrale d'un ordinateur commun. Pour créer les nanotubes de carbone encapsulés, l'équipe a d'abord déposé les nanotubes de carbone à partir d'une solution précédemment développée dans le laboratoire d'Hersam. Ensuite, ils ont revêtu les tubes de leurs couches d'encapsulation.

En utilisant les nanotubes de carbone encapsulés, L'équipe d'Hersam a conçu et fabriqué avec succès des matrices de circuits SRAM fonctionnels. Non seulement les couches d'encapsulation protégeaient l'appareil sensible de l'environnement, mais ils ont amélioré l'uniformité spatiale entre les transistors individuels à travers la plaquette. Alors que les circuits intégrés d'Hersam ont fait preuve d'une longue durée de vie, les transistors qui ont été déposés à partir de la même solution mais non revêtus se sont dégradés en quelques heures.

« Après avoir fabriqué les appareils, on peut les laisser à l'air sans plus de précautions, " Hersam a déclaré. "Nous n'avons pas besoin de les mettre dans une chambre à vide ou un environnement contrôlé. D'autres chercheurs ont fabriqué des dispositifs similaires mais ont immédiatement dû les placer dans une chambre à vide ou dans un environnement inerte pour les maintenir stables. Cela ne fonctionnera évidemment pas dans une situation réelle. »

Hersam imagine que sa solution-traitée, La SRAM stable à l'air pourrait être utilisée dans les technologies émergentes. Des transistors flexibles à base de nanotubes de carbone pourraient remplacer le silicium rigide pour permettre l'électronique portable. La méthode de fabrication moins chère ouvre également la porte aux cartes à puce, c'est-à-dire des cartes de crédit contenant des informations personnelles afin de réduire les risques de fraude.

"Les cartes à puce ne sont réalistes que si elles peuvent être réalisées à l'aide d'une fabrication à coût extrêmement bas, ", a-t-il déclaré. "Parce que nos nanotubes de carbone traités en solution sont compatibles avec des méthodes d'impression évolutives et peu coûteuses, nos résultats pourraient permettre l'utilisation de cartes à puce et d'applications électroniques imprimées associées. »