Alors que les puces informatiques à base de silicium approchent de leurs limites physiques dans la recherche de conceptions plus rapides et plus petites, la recherche de matériaux alternatifs qui restent fonctionnels à l'échelle atomique constitue l'un des plus grands défis de la science.
Dans le cadre d'un développement révolutionnaire, des chercheurs du pôle d'excellence de Würzburg-Dresde ont conçu un film protecteur qui protège les couches de semi-conducteurs quantiques d'un seul atome d'épaisseur des influences environnementales sans compromettre leurs propriétés quantiques révolutionnaires. Cela rend l’application de ces couches atomiques délicates dans des composants électroniques ultrafins à portée de main. Les résultats ont été publiés dans Nature Communications .
La course à la création de puces informatiques de plus en plus rapides et puissantes se poursuit à mesure que les transistors, leurs composants fondamentaux, se réduisent à des tailles toujours plus petites et compactes. Dans quelques années, ces transistors ne mesureront que quelques atomes de diamètre. La miniaturisation de la technologie du silicium actuellement utilisée aura alors atteint ses limites physiques. Par conséquent, la recherche de matériaux alternatifs dotés de propriétés entièrement nouvelles est cruciale pour les futurs progrès technologiques.
En 2021, les scientifiques du pôle d'excellence ct.qmat — Complexité et topologie de la matière quantique des universités JMU Würzburg et TU Dresden ont fait une découverte importante :des matériaux quantiques topologiques tels que l'indène, très prometteurs pour une électronique ultrarapide et économe en énergie. . Les semi-conducteurs quantiques extrêmement fins qui en résultent sont composés d'une seule couche d'atomes (dans le cas de l'indène, des atomes d'indium) et agissent comme des isolants topologiques, conduisant l'électricité pratiquement sans résistance le long de leurs bords.
"La production d'une telle couche atomique unique nécessite un équipement sous vide sophistiqué et un matériau de substrat spécifique. Pour utiliser ce matériau bidimensionnel dans des composants électroniques, il faudrait le retirer de l'environnement sous vide. Cependant, l'exposition à l'air, même brièvement, conduit à oxydation, détruisant ses propriétés révolutionnaires et le rendant inutile", explique le physicien expérimental, le professeur Ralph Claessen, porte-parole de ct.qmat à Würzburg.
"Nous avons consacré deux ans à trouver une méthode permettant de protéger la couche sensible d'indène des éléments environnementaux à l'aide d'un revêtement protecteur. Le défi consistait à garantir que ce revêtement n'interagissait pas avec la couche d'indène", explique Cédric Schmitt, l'un des doctorants de Claessen impliqué dans le projet.
Cette interaction est problématique car lorsque différents types d’atomes (de la couche protectrice au semi-conducteur, par exemple) se rencontrent, ils réagissent chimiquement au niveau atomique, modifiant le matériau. Ce n'est pas un problème avec les puces de silicium conventionnelles, qui comprennent plusieurs couches atomiques, laissant suffisamment de couches intactes et donc toujours fonctionnelles.
"Un matériau semi-conducteur constitué d'une seule couche atomique telle que l'indène serait normalement compromis par un film protecteur. Cela posait un défi apparemment insurmontable qui a piqué notre curiosité en matière de recherche", explique Claessen. La recherche d'une couche protectrice viable les a amenés à explorer les matériaux van der Waals, du nom du physicien néerlandais Johannes Diderik van der Waals (1837-1923).
Claessen explique :« Ces couches atomiques bidimensionnelles de Van der Waals sont caractérisées par de fortes liaisons internes entre leurs atomes, tout en ne se liant que faiblement au substrat. Ce concept s'apparente à la façon dont la mine de crayon en graphite, une forme de carbone avec des atomes disposés en couches en nid d'abeilles :écrit sur du papier. Les couches de graphène peuvent être facilement séparées. "Nous avions pour objectif de reproduire cette caractéristique."
À l’aide d’un équipement sophistiqué à ultra-vide, l’équipe de Würzburg a expérimenté le chauffage du carbure de silicium (SiC) comme substrat pour l’indène, explorant les conditions nécessaires pour former du graphène à partir de celui-ci. "Le carbure de silicium est constitué d'atomes de silicium et de carbone. En le chauffant, les atomes de carbone se détachent de la surface et forment du graphène", explique Schmitt. "Nous avons ensuite déposé en phase vapeur des atomes d'indium, qui sont immergés entre la couche protectrice de graphène et le substrat en carbure de silicium. C'est ainsi que la couche protectrice de notre matériau quantique bidimensionnel, l'indène, a été formée."
Pour la première fois au monde, Claessen et son équipe de la succursale ct.qmat de Würzburg ont réussi à créer une couche protectrice fonctionnelle pour un matériau semi-conducteur quantique bidimensionnel sans compromettre ses extraordinaires propriétés quantiques. Après avoir analysé le processus de fabrication, ils ont minutieusement testé les capacités de protection de la couche contre l'oxydation et la corrosion. "Ça marche ! L'échantillon peut même être exposé à l'eau sans être affecté d'aucune façon", se réjouit Claessen. "La couche de graphène agit comme un parapluie pour notre indène."
Cette avancée ouvre la voie à des applications impliquant des couches atomiques semi-conductrices très sensibles. La fabrication de composants électroniques ultrafins nécessite qu’ils soient traités dans l’air ou dans d’autres environnements chimiques. Cela a été rendu possible grâce à la découverte de ce mécanisme de protection.
L’équipe de Würzburg se concentre désormais sur l’identification d’un plus grand nombre de matériaux van der Waals pouvant servir de couches de protection – et elle a déjà quelques perspectives en tête. Le problème est que malgré la protection efficace des monocouches atomiques par le graphène contre les facteurs environnementaux, sa conductivité électrique présente un risque de courts-circuits. Les scientifiques de Würzburg s'efforcent de surmonter ces défis et de créer les conditions de l'électronique de couche atomique de demain.
Plus d'informations : Cédric Schmitt et al, Atteindre la stabilité environnementale dans un isolant Hall à spin quantique atomiquement mince via l'intercalation de graphène, Nature Communications (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-45816-9
Fourni par Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat
