Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago décrivent une nouvelle technique de mesure précise de la température et du comportement de nouveaux matériaux bidimensionnels qui permettra aux ingénieurs de concevoir des microprocesseurs plus petits et plus rapides. Leurs découvertes sont publiées dans la revue Lettres d'examen physique .

Matériaux bidimensionnels nouvellement développés, comme le graphène - qui consiste en une seule couche d'atomes de carbone - ont le potentiel de remplacer les puces de microprocesseur traditionnelles à base de silicium, qui ont atteint la limite de leur taille. Mais les ingénieurs ont été bloqués par l'incapacité de mesurer comment la température affectera ces nouveaux matériaux, collectivement appelés dichalcogénures de métaux de transition, ou TMD.

En utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage combinée à la spectroscopie, les chercheurs de l'UIC ont pu mesurer la température de plusieurs matériaux bidimensionnels au niveau atomique, ouvrant la voie à des microprocesseurs beaucoup plus petits et plus rapides. Ils ont également pu utiliser leur technique pour mesurer la dilatation des matériaux bidimensionnels lorsqu'ils sont chauffés.

"Les puces de microprocesseur dans les ordinateurs et autres appareils électroniques deviennent très chaudes, et nous devons être en mesure de mesurer non seulement à quel point ils peuvent devenir chauds, mais combien le matériau va se dilater lorsqu'il est chauffé, " dit Robert Klie, professeur de physique à l'UIC et auteur correspondant de l'article. "Il est important de savoir comment un matériau va se dilater, car si un matériau se dilate trop, liaisons avec d'autres matériaux, tels que des fils métalliques, peut casser et la puce est inutile."

Les méthodes traditionnelles de mesure de la température ne fonctionnent pas sur de minuscules flocons de matériaux bidimensionnels qui seraient utilisés dans les microprocesseurs, car ils sont tout simplement trop petits. Mesures optiques de température, qui utilisent une lumière laser réfléchie pour mesurer la température, ne peut pas être utilisé sur les puces TMD car elles n'ont pas une surface suffisante pour accueillir le faisceau laser.

"Nous devons comprendre comment la chaleur s'accumule et comment elle est transmise à l'interface entre deux matériaux afin de construire des microprocesseurs efficaces qui fonctionnent, " dit Klie.

Klie et ses collègues ont conçu un moyen de prendre des mesures de température des TMD au niveau atomique en utilisant la microscopie électronique à transition à balayage, qui utilise un faisceau d'électrons transmis à travers un échantillon pour former une image.

« En utilisant cette technique, nous pouvons cibler et mesurer la vibration des atomes et des électrons, qui est essentiellement la température d'un seul atome dans un matériau bidimensionnel, " a déclaré Klie. La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des mouvements aléatoires des particules, ou des atomes qui composent un matériau. Au fur et à mesure qu'un matériau devient plus chaud, la fréquence de la vibration atomique augmente. Au zéro absolu, la température théorique la plus basse, tout mouvement atomique s'arrête.

Klie et ses collègues ont chauffé des "flocons" microscopiques de divers TMD à l'intérieur de la chambre d'un microscope électronique à transmission à balayage à différentes températures, puis ont dirigé le faisceau d'électrons du microscope vers le matériau. En utilisant une technique appelée spectroscopie de perte d'énergie électronique, ils ont pu mesurer la diffusion des électrons sur les matériaux bidimensionnels provoquée par le faisceau d'électrons. Les modèles de diffusion ont été entrés dans un modèle informatique qui les a traduits en mesures des vibrations des atomes dans le matériau - en d'autres termes, la température du matériau au niveau atomique.

"Avec cette nouvelle technique, nous pouvons mesurer la température d'un matériau avec une résolution près de 10 fois supérieure aux méthodes conventionnelles, " a déclaré Klie. " Avec cette nouvelle approche, nous pouvons concevoir de meilleurs appareils électroniques qui seront moins sujets à la surchauffe et consommeront moins d'énergie."

La technique peut également être utilisée pour prédire combien de matériaux se dilateront lorsqu'ils seront chauffés et se contracteront lorsqu'ils seront refroidis, qui aidera les ingénieurs à construire des puces moins sujettes à la rupture aux points où un matériau touche un autre, comme lorsqu'une puce de matériau bidimensionnel entre en contact avec un fil.

"Aucune autre méthode ne peut mesurer cet effet à la résolution spatiale que nous rapportons, ", a déclaré Klie. "Cela permettra aux ingénieurs de concevoir des dispositifs capables de gérer les changements de température entre deux matériaux différents à l'échelle nanométrique."