La vie moderne serait presque impensable sans transistors. Ils sont les éléments constitutifs omniprésents de tous les appareils électroniques, et chaque puce informatique en contient des milliards. Cependant, à mesure que les copeaux deviennent de plus en plus petits, les transistors électroniques de champ (FET) 3-D actuels atteignent leur limite d'efficacité. Une équipe de recherche de l'Institute for Basic Science (IBS) a développé le premier circuit électronique 2-D (FET) fait d'un seul matériau. Publié dans Nature Nanotechnologie , cette étude montre une nouvelle méthode pour fabriquer des polymorphes métalliques et semi-conducteurs à partir du même matériau afin de fabriquer des FET 2-D.

En termes simples, Les FET peuvent être considérés comme des commutateurs à grande vitesse, composé de deux électrodes métalliques et d'un canal semi-conducteur entre les deux. Les électrons (ou trous) se déplacent de l'électrode source à l'électrode drain, circulant dans le canal. Alors que les FET 3-D ont été réduits à des dimensions nanométriques avec succès, leurs limitations physiques commencent à émerger. De courtes longueurs de canaux semi-conducteurs entraînent une diminution des performances - certains électrons peuvent circuler entre les électrodes même lorsqu'ils ne le devraient pas, entraînant une réduction de la chaleur et de l'efficacité. Pour pallier cette dégradation des performances, les canaux des transistors doivent être fabriqués avec des matériaux minces à l'échelle nanométrique. Cependant, même les matériaux 3D minces ne sont pas assez bons, sous forme d'électrons non appariés, une partie des "liaisons pendantes" à la surface interfèrent avec les électrons qui circulent, conduisant à la dispersion.

L'utilisation de FET 2-D plutôt que de FET 3-D peut surmonter ces problèmes et offre de nouvelles, propriétés attrayantes. "Les FET fabriqués à partir de semi-conducteurs 2D sont exempts d'effets de canal court car tous les électrons sont confinés dans des canaux naturellement atomiques minces, exempt de liaisons pendantes à la surface, " explique Ji Ho Sung, premier auteur de l'étude. De plus, une forme monocouche et à quelques couches de matériaux 2-D en couches a une large gamme de propriétés optiques électriques et accordables, épaisseur à l'échelle atomique, flexibilité mécanique et grandes bandes interdites (1~2 eV).

Le problème majeur pour les transistors FET 2-D est l'existence d'une grande résistance de contact à l'interface entre le semi-conducteur 2-D et tout métal en vrac. Pour remédier à ce, l'équipe a mis au point une nouvelle technique pour produire des transistors métalliques 2-D à semi-conduction en tellurure de molybdène (MoTe 2 ). C'est un matériau polymorphe, ce qui signifie qu'il peut être utilisé à la fois comme métal et comme semi-conducteur. Résistance de contact à l'interface entre le semi-conducteur et le MoTe métallique 2 se révèle très faible. La hauteur de la barrière a été abaissée d'un facteur 7 de 150 meV à 22 meV.

Les scientifiques d'IBS ont utilisé la technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour construire du MoTe métallique ou semi-conducteur de haute qualité 2 cristaux. Le polymorphisme est contrôlé par la température à l'intérieur d'un four tubulaire en quartz à parois chaudes rempli de vapeur de NaCl à 710° C pour obtenir le métal, et 670°C pour un semi-conducteur.

Les scientifiques ont également fabriqué des structures à plus grande échelle en utilisant des bandes de diséléniure de tungstène (WSe 2 ) alterné avec le ditellurure de tungstène (WTe 2 ). Ils ont d'abord créé une fine couche de semi-conducteur WSe 2 avec dépôt chimique en phase vapeur, puis a gratté quelques rayures et a fait pousser du WTe2 métallique à sa place.

Il est prévu qu'à l'avenir, il serait possible de réaliser une résistance de contact encore plus petite, atteindre la limite quantique théorique, qui est considéré comme un enjeu majeur dans l'étude des matériaux 2D, y compris le graphène et d'autres matériaux de dichalcogénure de métal de transition.