Les ingénieurs de Stanford montrent comment fabriquer des semi-conducteurs de seulement trois atomes d'épaisseur afin de faire un jour des choses que les puces de silicium ne peuvent pas faire. Crédit :Stefani Billings
Depuis plus de 50 ans, les fabricants de puces de silicium ont conçu des moyens inventifs pour allumer et éteindre l'électricité, générer les uns et les zéros numériques qui codent les mots, des photos, films et autres formes de données.
Mais alors que les chercheurs pensent à l'électronique pour les 50 prochaines années, ils ont commencé à regarder au-delà du silicium vers de nouveaux types de matériaux qui se présentent dans des couches simples de seulement trois atomes d'épaisseur - bien plus minces que les puces de silicium modernes - mais sont capables de contrôler l'électricité plus efficacement pour créer ces uns et zéros numériques.
Aujourd'hui, une équipe dirigée par le professeur agrégé d'ingénierie électrique de Stanford, Eric Pop, a démontré comment il pourrait être possible de produire en série des matériaux et de l'électronique atomiquement minces. Pourquoi cela serait-il utile ? Parce que ces matériaux minces seraient également transparents et flexibles, d'une manière qui permettrait de créer des appareils électroniques qu'il ne serait pas possible de fabriquer avec du silicium.
"Et si ta fenêtre était aussi une télévision, ou vous pourriez avoir un affichage tête haute sur le pare-brise de votre voiture ?" a demandé Kirby Smithe, un étudiant diplômé de l'équipe de Pop, suggérant des applications électroniques que les nouveaux matériaux pourraient rendre possibles.
Smith, Pop et co-auteurs Chris English et Saurabh Suryavanshi, les deux étudiants diplômés du laboratoire de Pop, ont décrit leur travail dans la revue 2D Materials, qui se consacre à la recherche sur la minceur atomique, appareils bidimensionnels.
La théorie dans la réalité
L'objectif de l'équipe était de développer un processus de fabrication pour transformer les puces monocouches en réalités pratiques. Le premier matériau atomiquement mince a été mesuré en 2004 lorsque les scientifiques ont observé que le graphène - un matériau lié au "plomb" des crayons - pouvait être isolé en couches de l'épaisseur d'un seul atome de carbone. Les scientifiques qui ont fait cette découverte ont partagé le prix Nobel de physique 2010.
Les chercheurs, qui ont fait leur travail pendant la campagne présidentielle, gravé des images nanométriques des deux principaux candidats sur une puce ultrafine, pour démontrer les techniques précises qui pourraient un jour être utilisées pour créer des circuits électroniques. Dessus, Hillary Clinton. Crédit :Pop Lab
Mais le processus utilisé pour faire cette découverte – les scientifiques ont retiré des couches de graphène d'une roche à l'aide de ruban adhésif – n'a servi à rien pour transformer des cristaux ultrafins en composants électroniques de nouvelle génération.
À la suite de la découverte du graphène, les ingénieurs se sont lancés dans une quête pour trouver des matériaux similaires et, plus important, des moyens pratiques de façonner des commutateurs atomiquement minces en circuits.
C'est sur la question de la fabricabilité que les membres de l'équipe de Stanford ont fait une grande avancée. Ils ont commencé avec une seule couche de matériau appelé bisulfure de molybdène. Le nom décrit sa structure en sandwich :une feuille d'atomes de molybdène entre deux couches de soufre. Des recherches antérieures avaient montré que le bisulfure de molybdène faisait un bon changement, contrôler l'électricité pour créer des uns et des zéros numériques.
Mise à l'échelle
La question était de savoir si l'équipe pouvait fabriquer un cristal de bisulfure de molybdène assez gros pour former une puce. Cela nécessite de construire un cristal à peu près de la taille de votre vignette. Cela peut sembler peu important tant que vous ne considérez pas le rapport hauteur/largeur du cristal requis :une puce de seulement trois atomes d'épaisseur, mais la taille de votre vignette est comme une seule feuille de papier assez grande pour couvrir tout le campus de Stanford.
Les chercheurs ont sculpté des portraits à l'échelle nanométrique des deux principaux candidats du parti dans leur toile atomiquement mince. Dessus, Donald Trump. Crédit :Pop Lab
L'équipe de Stanford a fabriqué cette feuille en déposant trois couches d'atomes dans une structure cristalline 25 millions de fois plus large qu'épais. Smithe y est parvenu en apportant des améliorations ingénieuses à un processus de fabrication appelé dépôt chimique en phase vapeur. Cette approche incinère essentiellement de petites quantités de soufre et de molybdène jusqu'à ce que les atomes se vaporisent comme de la suie. Les atomes se déposent ensuite en couche cristalline ultra-mince sur un substrat "poignée", qui peut être du verre ou même du silicium.
Cependant, le travail des chercheurs n'était pas terminé. Ils devaient encore modeler le matériau en interrupteurs électriques et comprendre leur fonctionnement. Pour ça, ils ont profité d'une avancée récente menée par les anglais, qui a découvert que des conditions de dépôt extrêmement propres sont essentielles pour former de bons contacts métalliques avec les couches de bisulfure de molybdène. La richesse des nouvelles données expérimentales disponibles maintenant dans le laboratoire a également permis à Suryavanshi de créer des modèles informatiques précis des nouveaux matériaux et de commencer à prédire leur comportement collectif en tant que composants de circuit.
« Nous avons beaucoup de travail à faire pour adapter ce processus à des circuits à plus grande échelle et de meilleures performances, " dit Pop. "Mais nous avons maintenant tous les éléments constitutifs."
Gravure des interrupteurs
Lors de la fabrication des puces, les circuits doivent être gravés dans le matériau. Pour montrer comment une grande échelle, le processus de fabrication de puces monocouches pourrait effectuer cette étape à l'avenir, l'équipe a utilisé des outils de gravure standard pour découper le logo de Stanford dans leur prototype. Puis, s'amuser un peu avec un projet qu'ils ont réalisé lors d'une campagne électorale nationale, ils ont sculpté des portraits à l'échelle nanométrique des deux principaux candidats du parti dans leur toile atomiquement mince.
Pop a déclaré que l'équipe de Stanford a été inspirée par des chercheurs qui ont fait quelque chose de similaire au cours du cycle électoral de 2008, lorsqu'ils ont créé « nanobama » – de minuscules images du président élu de l'époque, Barack Obama, utilisant des nanotubes de carbone. Les nanotubes sont une autre technologie de puce de prochaine génération potentielle; les chercheurs de ce projet ont utilisé le nanobama comme moyen d'attirer l'attention sur la capacité des technologues à fabriquer des objets qui sont presque inimaginablement minuscules.
"Beaucoup de gens s'intéressent à l'électronique parce que la technologie est utile, " a déclaré Pop. "Mais nous espérons que nanotrump et nanoclinton peuvent élargir l'intérêt pour la recherche. Peut-être que voir des portraits gravés sur une toile de trois atomes d'épaisseur inspirera les futurs chercheurs d'une manière que nous ne pouvons même pas encore imaginer."
