Alexander Balandin (à gauche) et Guanxiong Liu ont fabriqué le dispositif oscillateur à tension contrôlée dans une salle blanche du Centre pour la science et l'ingénierie à l'échelle nanométrique (CNSE) de l'UCR. Crédit :UC Riverside.
Le graphène est devenu l'un des cristaux bidimensionnels les plus prometteurs, mais l'avenir de l'électronique peut inclure deux autres nanomatériaux, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université de Californie, Riverside et l'Université de Géorgie.
Dans une recherche publiée lundi (4 juillet) dans la revue Nature Nanotechnologie , les chercheurs ont décrit l'intégration de trois matériaux bidimensionnels (2D) très différents pour produire un compact, et dispositif oscillateur rapide commandé en tension (VCO). Un VCO est un oscillateur électronique dont la fréquence d'oscillation est contrôlée par une entrée de tension.
Intitulé « An integrated Tantalum Sulfide—Boron Nitride—Graphene Oscillator :A Charge-Density-Wave Device Operating at Room Temperature, " l'article décrit le développement du premier dispositif utile qui exploite le potentiel des ondes de densité de charge pour moduler un courant électrique à travers un matériau 2D. La nouvelle technologie pourrait devenir une alternative à très faible consommation d'énergie aux dispositifs conventionnels à base de silicium, qui sont utilisés dans des milliers d'applications, des ordinateurs aux horloges en passant par les radios. La mince, La nature flexible de l'appareil le rendrait idéal pour une utilisation dans les technologies portables.
Graphène, une couche unique d'atomes de carbone qui présente des conductivités électrique et thermique exceptionnelles, est prometteur en tant que successeur des transistors à base de silicium. Cependant, son application a été limitée par son incapacité à fonctionner comme un semi-conducteur, ce qui est critique pour les opérations de commutation « marche/arrêt » effectuées par les composants électroniques.
Pour pallier ce manque, les chercheurs se sont tournés vers un autre nanomatériau 2D, Sulfure de tantale (TaS2). Ils ont montré que les changements induits par la tension dans la structure atomique du « prototype 1T » de TaS2 lui permettent de fonctionner comme un interrupteur électrique à température ambiante, une exigence pour les applications pratiques.
"Il existe de nombreux matériaux à onde de densité de charge qui ont des propriétés de commutation électrique intéressantes. Cependant, la plupart d'entre eux ne révèlent ces propriétés qu'à très basse température. Le polytype particulier de TaS2 que nous avons utilisé peut avoir des changements brusques de résistance au-dessus de la température ambiante. Cela a fait une différence cruciale, " dit Alexandre Balandine, Chaire présidentielle de l'UC professeur de génie électrique et informatique au Bourns College of Engineering de l'UCR, qui a dirigé l'équipe de recherche.
Pour protéger le TaS2 des dommages environnementaux, les chercheurs l'ont recouvert d'un autre matériau 2D, nitrate de bore hexagonal, pour éviter l'oxydation. En associant le TaS2 coiffé de nitrure de bore avec du graphène, l'équipe a construit un VCO à trois couches qui pourrait ouvrir la voie à l'électronique post-silicium. Dans la conception proposée, le graphène fonctionne comme une résistance de charge réglable intégrée, qui permet un contrôle précis de la tension du courant et de la fréquence du VCO. Les prototypes de dispositifs UCR fonctionnant à la fréquence MHz utilisée dans les radios, et les processus physiques extrêmement rapides qui définissent la fonctionnalité de l'appareil permettent à la fréquence de fonctionnement d'augmenter jusqu'à THz.
Balandin a déclaré que le système intégré est le premier exemple d'un dispositif oscillateur fonctionnel commandé en tension comprenant des matériaux 2D qui fonctionne à température ambiante.
"Il est difficile de rivaliser avec le silicium, qui a été utilisé et amélioré au cours des 50 dernières années. Cependant, nous pensons que notre appareil montre une intégration unique de trois matériaux 2D très différents, qui utilise les propriétés intrinsèques de chacun de ces matériaux. L'appareil peut potentiellement devenir une alternative à faible consommation d'énergie aux technologies silicium conventionnelles dans de nombreuses applications différentes, ", a déclaré Balandin.
La fonction électronique du graphène envisagée dans le dispositif 2D proposé résout le problème lié à l'absence de la bande interdite énergétique, ce qui empêchait jusqu'à présent l'utilisation du graphène comme matériau de canal de transistor. La conductivité thermique extrêmement élevée du graphène constitue un avantage supplémentaire dans la structure du dispositif, en facilitant l'évacuation de la chaleur. Les propriétés uniques de conduction thermique du graphène ont été découvertes expérimentalement et théoriquement expliquées en 2008 par le groupe de Balandin à l'UCR. La Materials Research Society a reconnu cette réalisation révolutionnaire en décernant à Balandin la médaille MRS en 2013.
Le groupe Balandin a également présenté les premiers dissipateurs de chaleur en graphène intégrés pour transistors de haute puissance et diodes électroluminescentes. « Dans ces applications, le graphène a été utilisé exclusivement comme matériau conducteur de chaleur. Sa conductivité thermique était la propriété principale. Dans le présent dispositif, nous utilisons à la fois la conductivité électrique et thermique du graphène, " ajouta Balandin.
