(A) Spectre électronique E(p) dans le graphène bicouche (gauche) et dépendance énergétique de sa densité d'états, DoS (à droite). Aux niveaux d'énergie correspondant au bord du "chapeau mexicain", le DoS tend vers l'infini. (B) Les zones rouges montrent les états des électrons qui participent à l'effet tunnel dans le graphène bicouche (à gauche) et dans un semi-conducteur conventionnel avec une parabole "ordinaire" bandes (à droite). Des électrons capables d'effet tunnel à basse tension se trouvent dans l'anneau du graphène, mais dans le semi-conducteur, ils ne se trouvent qu'en un seul point. Les lignes pointillées indiquent les transitions tunnel. Les lignes rouges indiquent les trajectoires des électrons tunnel dans la bande de valence. Crédit :Auteurs de l'étude
Les scientifiques ont développé un nouveau type de transistor à base de graphène et la modélisation démontre qu'il a une consommation d'énergie ultra-faible par rapport à d'autres dispositifs à transistors similaires. Les résultats ont été publiés dans un article de la revue Rapports scientifiques . L'effet le plus important de la réduction de la consommation d'énergie est qu'elle permet d'augmenter les vitesses d'horloge du processeur - selon les calculs, jusqu'à deux ordres de grandeur plus élevés.
« Il ne s'agit pas tant d'économiser de l'électricité, nous avons beaucoup d'énergie électrique. À une puissance inférieure, les composants électroniques chauffent moins, et cela signifie qu'ils sont capables de fonctionner à une vitesse d'horloge plus élevée - pas un gigahertz, mais 10 par exemple, voire 100, " dit Dmitri Svintsov, directeur du Laboratoire d'optoélectronique et des matériaux bidimensionnels du MIPT.
Construire des transistors capables de commuter à basse tension (moins de 0,5 volt) est l'un des plus grands défis de l'électronique moderne. Les transistors tunnel sont les candidats les plus prometteurs pour résoudre ce problème. Contrairement aux transistors classiques, dans lequel les électrons « sautent » à travers la barrière d'énergie, dans les transistors tunnel, les électrons « filtrent » à travers la barrière via l'effet tunnel quantique. Cependant, dans la plupart des semi-conducteurs, le courant tunnel est très faible, empêchant les transistors basés sur ces matériaux d'être utilisés dans des circuits réels.
Les auteurs de l'article, des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT), l'Institut de Physique et de Technologie RAS, et Université du Tohoku (Japon), a proposé un nouveau design pour un transistor tunnel à base de graphène bicouche, et en utilisant la modélisation, ils ont prouvé que ce matériau est une plate-forme idéale pour l'électronique basse tension.
Graphène, qui a été créé par les anciens du MIPT Sir Andre Geim et Sir Konstantin Novoselov, est une 2D, réseau en nid d'abeilles à l'échelle atomique d'atomes de carbone. En tant que matériau 2D, ses propriétés sont radicalement différentes du graphite 3D.
La zone ombrée de 150 mV est la plage de tension de fonctionnement du transistor, ce qui est beaucoup plus étroit que la plage de fonctionnement des transistors au silicium conventionnels (500mV). L'oscillation sous le seuil (pente de la caractéristique) du transistor proposé est également significativement plus élevée que la pente limite qui peut potentiellement être obtenue à partir des MOSFET (transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur). Cette pente limite est représentée par une ligne pointillée sur l'image en médaillon. Crédit :Auteurs de l'étude
"Le graphène bicouche est constitué de deux feuilles de graphène attachées l'une à l'autre par des liaisons covalentes ordinaires. Il est aussi facile à fabriquer que le graphène monocouche, mais en raison de la structure unique de ses bandes électroniques, c'est un matériau très prometteur pour les commutateurs à effet tunnel basse tension, " dit Svintsov.
Les bandes de niveau d'énergie du graphène bicouche prennent la forme d'un "chapeau mexicain" (fig. 1A). Il s'avère que la densité d'électrons pouvant occuper des espaces proches des bords du "chapeau mexicain" tend vers l'infini - c'est ce qu'on appelle une singularité de van Hove. Avec l'application d'une tension même très faible à la grille d'un transistor, un grand nombre d'électrons sur les bords du "chapeau mexicain" commencent à tunneler en même temps. Cela provoque un changement brusque de courant à partir de l'application d'une petite tension, et cette basse tension est la raison de la faible consommation d'énergie record.
Dans leur papier, les chercheurs soulignent que jusqu'à récemment, la singularité de van Hove était à peine perceptible dans le graphène bicouche - les bords du "chapeau mexicain" étaient indistincts en raison de la faible qualité des échantillons. Les échantillons de graphène modernes sur des substrats de nitrure de bore hexagonal (hBN) sont de bien meilleure qualité, et des singularités de van Hove prononcées ont été confirmées expérimentalement dans les échantillons en utilisant la microscopie à sonde à balayage et la spectroscopie d'absorption infrarouge.
Une caractéristique importante du transistor proposé est l'utilisation du « dopage électrique » (l'effet de champ) pour créer une jonction p-n à effet tunnel. Le processus complexe du dopage chimique, requis lors de la construction de transistors sur des semi-conducteurs 3D, n'est pas nécessaire (et peut même être dommageable) pour le graphène bicouche. Dans le dopage électrique, des électrons supplémentaires (ou des trous) se produisent dans le graphène en raison de l'attraction vers des portes de dopage proches.
Dans des conditions optimales, un transistor au graphène peut changer le courant dans un circuit 10, 000 fois avec une oscillation de tension de grille de seulement 150 millivolts.
"Cela signifie que le transistor nécessite moins d'énergie pour la commutation, les puces nécessiteront moins d'énergie, moins de chaleur sera générée, des systèmes de refroidissement moins puissants seront nécessaires, et les vitesses d'horloge peuvent être augmentées sans craindre que l'excès de chaleur détruise la puce, " dit Svintsov.
