Les excitons pourraient révolutionner la façon dont les ingénieurs abordent l'électronique. Une équipe de chercheurs de l'EPFL a créé un nouveau type de transistor, l'un des composants des circuits, utilisant des excitons à la place des électrons. Notamment, leur transistor à base d'excitons fonctionne efficacement à température ambiante, un obstacle jusqu'alors insurmontable. Ils y sont parvenus en utilisant deux matériaux 2D comme semi-conducteurs. Leur étude, qui a été publié aujourd'hui dans La nature , a de nombreuses implications dans le domaine de l'excitonique, un nouveau domaine d'étude prometteur aux côtés de la photonique et de la spintronique.

"Nos recherches ont montré qu'en manipulant des excitons, nous étions tombés sur une toute nouvelle approche de l'électronique, " dit Andras Kis, qui dirige le Laboratoire d'électronique et de structures à l'échelle nanométrique (LANES) de l'EPFL. « Nous assistons à l'émergence d'un domaine d'études totalement nouveau, dont nous ne connaissons pas encore l'étendue complète."

Cette percée ouvre la voie à des appareils optoélectroniques qui consomment moins d'énergie et sont à la fois plus petits et plus rapides que les appareils actuels. En outre, il sera possible d'intégrer dans un même dispositif des systèmes de transmission optique et de traitement électronique des données, ce qui réduira le nombre d'opérations nécessaires et rendra les systèmes plus efficaces.

Niveau d'énergie plus élevé

Les excitons sont en fait des quasiparticules, terme utilisé pour décrire l'interaction entre les particules qui composent une substance donnée plutôt que la substance elle-même. Les excitons sont constitués d'un électron et d'un trou d'électron. Les deux sont liés lorsque l'électron absorbe un photon et atteint un niveau d'énergie plus élevé; l'électron "excité" laisse un trou dans le niveau d'énergie précédent, lequel, en théorie des bandes, est appelée bande de valence. Ce trou, aussi une quasiparticule, est une indication de l'électron manquant dans cette bande.

Puisque l'électron est chargé négativement et le trou est chargé positivement, les deux particules restent liées par une force électrostatique. Cette liaison entre l'électron et le trou est appelée attraction de Coulomb. Et c'est dans cet état de tension et d'équilibre qu'ils forment un exciton. Lorsque l'électron retombe enfin dans le trou, il émet un photon. Et avec cela, l'exciton cesse d'exister. En termes plus simples, un photon entre à une extrémité du circuit et sort à l'autre; à l'intérieur, il donne naissance à un exciton qui agit comme une particule.

Double succès

Ce n'est que récemment que les chercheurs ont commencé à étudier les propriétés des excitons dans le contexte des circuits électroniques. L'énergie des excitons a toujours été considérée comme trop fragile et la durée de vie des excitons trop courte pour présenter un réel intérêt dans ce domaine. En outre, les excitons ne pouvaient être produits et contrôlés que dans des circuits à des températures extrêmement basses (environ -173 degrés C).

La percée est survenue lorsque les chercheurs de l'EPFL ont découvert comment contrôler la durée de vie des excitons et comment les déplacer. Ils l'ont fait en utilisant deux matériaux 2-D :le diséléniure de tungstène (WSe 2 ) et le bisulfure de molybdène (MoS 2 ). "Les excitons dans ces matériaux présentent une liaison électrostatique particulièrement forte et, encore plus important, ils ne sont pas détruits rapidement à température ambiante, " explique Kis.

Les chercheurs ont également pu allonger considérablement la durée de vie des excitons en exploitant le fait que les électrons ont toujours trouvé leur chemin vers le MoS. 2 alors que les trous finissaient toujours dans le WSe 2 . Les chercheurs ont maintenu les excitons encore plus longtemps en protégeant les couches semi-conductrices avec du nitrure de bore (BN).

"Nous avons créé un type spécial d'exciton, où les deux côtés sont plus éloignés que dans la particule conventionnelle, " dit Kis. "Cela retarde le processus dans lequel l'électron retourne dans le trou et la lumière est produite. C'est à ce stade, lorsque les excitons restent un peu plus longtemps sous forme de dipôle, qu'ils peuvent être contrôlés et déplacés à l'aide d'un champ électrique."