Les transistors à base de carbone plutôt que de silicium pourraient potentiellement augmenter la vitesse des ordinateurs et réduire leur consommation d'énergie plus de mille fois - pensez à un téléphone portable qui tient sa charge pendant des mois - mais l'ensemble d'outils nécessaires pour construire des circuits de carbone fonctionnels est resté incomplet jusqu'à ce que maintenant.

Une équipe de chimistes et de physiciens de l'Université de Californie, Berkeley, a enfin créé le dernier outil de la boîte à outils, un fil métallique entièrement en carbone, préparer le terrain pour une accélération de la recherche pour construire des transistors à base de carbone et, finalement, des ordinateurs.

"En restant dans le même matériau, dans le domaine des matériaux à base de carbone, est ce qui rassemble cette technologie maintenant, " dit Félix Fischer, professeur de chimie à l'UC Berkeley, notant que la possibilité de fabriquer tous les éléments de circuit à partir du même matériau facilite la fabrication. "C'est l'un des éléments clés qui manquait dans l'ensemble d'une architecture de circuit intégré entièrement en carbone."

Les fils métalliques, comme les canaux métalliques utilisés pour connecter les transistors dans une puce informatique, transportent l'électricité d'un appareil à l'autre et interconnectent les éléments semi-conducteurs dans les transistors, les blocs de construction des ordinateurs.

Le groupe UC Berkeley travaille depuis plusieurs années sur la fabrication de semi-conducteurs et d'isolants à partir de nanorubans de graphène, qui sont étroits, bandes unidimensionnelles de graphène d'épaisseur atomique, une structure composée entièrement d'atomes de carbone disposés en un motif hexagonal interconnecté ressemblant à du grillage.

Le nouveau métal à base de carbone est également un nanoruban de graphène, mais conçu avec un œil sur la conduction d'électrons entre des nanorubans semi-conducteurs dans des transistors tout en carbone. Les nanorubans métalliques ont été construits en les assemblant à partir de blocs de construction identiques plus petits :une approche ascendante, dit le collègue de Fischer, Michael Crommie, un professeur de physique à l'UC Berkeley. Chaque bloc de construction apporte un électron qui peut circuler librement le long du nanoruban.

Alors que d'autres matériaux à base de carbone, comme des feuilles de graphène 2-D étendues et des nanotubes de carbone, peuvent être métalliques, ils ont leurs problèmes. Remodeler une feuille 2-D de graphène en bandes à l'échelle nanométrique, par exemple, les transforme spontanément en semi-conducteurs, voire des isolants. nanotubes de carbone, qui sont d'excellents conducteurs, ne peuvent pas être préparés avec la même précision et la même reproductibilité en grandes quantités que les nanorubans.

"Les nanorubans nous permettent d'accéder chimiquement à un large éventail de structures en utilisant la fabrication ascendante, quelque chose qui n'est pas encore possible avec les nanotubes, " a déclaré Crommie. "Cela nous a permis de coudre des électrons ensemble pour créer un nanoruban métallique, quelque chose qui n'a pas été fait avant. C'est l'un des grands défis dans le domaine de la technologie des nanorubans de graphène et c'est pourquoi nous sommes si enthousiastes à ce sujet."

Nanorubans de graphène métallique—qui présentent un large, bande électronique partiellement remplie caractéristique des métaux - devrait être comparable en conductance au graphène 2D lui-même.

"Nous pensons que les fils métalliques sont vraiment une percée ; c'est la première fois que nous pouvons créer intentionnellement un conducteur métallique ultra-étroit - un bon, conducteur intrinsèque - en matériaux à base de carbone, sans dopage externe, " ajouta Fischer.

Crommie, Fischer et leurs collègues de l'UC Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) publieront leurs conclusions dans le numéro du 25 septembre de la revue. Science .

Ajuster la topologie

Les circuits intégrés à base de silicium alimentent les ordinateurs depuis des décennies avec une vitesse et des performances sans cesse croissantes, selon la loi de Moore, mais ils atteignent leur limite de vitesse, c'est-à-dire à quelle vitesse ils peuvent basculer entre les zéros et les uns. Il devient également plus difficile de réduire la consommation d'énergie; les ordinateurs utilisent déjà une fraction substantielle de la production énergétique mondiale. Les ordinateurs à base de carbone pourraient potentiellement basculer plusieurs fois plus rapidement que les ordinateurs au silicium et n'utiliser qu'une fraction de la puissance, dit Fischer.

Graphène, qui est du carbone pur, est un concurrent de premier plan pour ces nouvelles générations, ordinateurs à base de carbone. Les bandes étroites de graphène sont principalement des semi-conducteurs, cependant, et le défi a été de les faire fonctionner également comme isolants et métaux - extrêmes opposés, totalement non conducteur et totalement conducteur, respectivement - afin de construire des transistors et des processeurs entièrement en carbone.

Il y a plusieurs années, Fischer et Crommie ont fait équipe avec le scientifique des matériaux théoriques Steven Louie, un professeur de physique à l'UC Berkeley, découvrir de nouvelles façons de connecter de petites longueurs de nanoruban pour créer de manière fiable toute la gamme de propriétés conductrices.

Il y a deux ans, l'équipe a démontré qu'en connectant de courts segments de nanoruban de la bonne manière, les électrons de chaque segment pourraient être disposés pour créer un nouvel état topologique - une fonction d'onde quantique spéciale - conduisant à des propriétés semi-conductrices accordables.

Dans le nouveau travail, ils utilisent une technique similaire pour assembler de courts segments de nanorubans pour créer un fil métallique conducteur de dizaines de nanomètres de long et à peine un nanomètre de large.

Les nanorubans ont été créés chimiquement et imagés sur des surfaces très planes à l'aide d'un microscope à effet tunnel. Une simple chaleur a été utilisée pour amener les molécules à réagir chimiquement et à s'assembler de la bonne manière. Fischer compare l'assemblage de blocs de construction en guirlande à un ensemble de Legos, mais Legos conçu pour s'adapter à l'échelle atomique.

"Ils sont tous conçus avec précision pour qu'il n'y ait qu'une seule façon de s'emboîter. C'est comme si vous preniez un sac de Legos, et tu le secoue, et sort une voiture entièrement assemblée, " dit-il. " C'est la magie de contrôler l'auto-assemblage avec la chimie. "

Une fois assemblé, l'état électronique du nouveau nanoruban était un métal, tout comme Louie l'avait prédit, chaque segment contribuant à un seul électron conducteur.

La percée finale peut être attribuée à un changement infime dans la structure du nanoruban.

"En utilisant la chimie, nous avons créé un petit changement, un changement d'une seule liaison chimique pour environ tous les 100 atomes, mais qui a multiplié par 20 la métallicité du nanoruban, et c'est important, d'un point de vue pratique, pour en faire un bon métal, " dit Crommie.

Les deux chercheurs travaillent avec des ingénieurs électriciens de l'UC Berkeley pour assembler leur boîte à outils de semi-conducteurs, nanorubans de graphène isolants et métalliques dans des transistors fonctionnels.

"Je crois que cette technologie va révolutionner la façon dont nous construisons des circuits intégrés à l'avenir, " a déclaré Fischer. " Cela devrait nous permettre de faire un grand pas en avant par rapport aux meilleures performances que l'on peut attendre du silicium en ce moment. Nous avons maintenant un moyen d'accéder à des vitesses de commutation plus rapides à une consommation d'énergie beaucoup plus faible. C'est ce qui motive la poussée vers une industrie des semi-conducteurs électroniques à base de carbone à l'avenir. »