Image d'un nanoribbon de graphène métallique de 1,6 nanomètre de largeur (Graphene Nanoribbon, GNR) prise avec un microscope à effet tunnel .
Les transistors à base de carbone plutôt que de silicium peuvent potentiellement accélérer les ordinateurs et réduire leur consommation d'énergie de plus de mille fois - pensez, par exemple, à un téléphone mobile qui tient une charge pendant des mois. Mais la gamme de matériaux nécessaires pour créer des chaînes de carbone fonctionnelles est restée incomplète à ce jour.
Une équipe de chimistes et de physiciens de l'Université de Californie à Berkeley a finalement créé la dernière pièce manquante - un fil entièrement en carbone. Ceci, à son tour, a ouvert la voie à la recherche sur les transistors à base de carbone, et finalement sur les ordinateurs.
Felix Fischer, professeur de chimie à l'Université de Californie à Berkeley, a noté que la possibilité de fabriquer tous les éléments IC à partir d'un seul matériau faciliterait la fabrication:
"C'était l'un des points clés qui manquait dans l'image globale de l'architecture des circuits intégrés entièrement à base de carbone."
Les fils métalliques sont utilisés pour connecter des transistors dans une puce informatique - ils transportent l'électricité d'un appareil à l'autre et connectent des éléments semi-conducteurs à l'intérieur d'un bloc de puces.
Un groupe de l'Université de Californie à Berkeley travaille depuis plusieurs années sur la façon de fabriquer des semi-conducteurs et des isolants à partir de nanorubans de graphène, qui sont des bandes étroites et unidimensionnelles de graphène aussi épaisses qu'un atome. La structure de ces nanorubans est entièrement composée d'atomes de carbone disposés selon un système hexagonal qui ressemble à un treillis métallique.
Alors que d'autres matériaux à base de carbone tels que les feuilles de graphène 2D et les nanotubes de carbonepeuvent être métalliques, ils ont leurs inconvénients. Par exemple, la conversion d'une feuille de graphène 2D en bandes de taille nanométrique pourrait les transformer en semi-conducteurs ou même en isolants. Les nanotubes de carbone, qui sont d'excellents conducteurs, ne peuvent pas être produits avec la même précision en grande quantité que les nanorubans.
«Les nanorubans nous permettent d'accéder à une grande variété de structures en utilisant une conception ascendante qui n'est pas encore possible avec les nanotubes», a déclaré Michael Crommy, professeur de physique à l'Université de Berkeley. «Cela nous a permis de relier les électrons entre eux pour créer un nanoribbon conducteur, ce qui n'était pas fait auparavant. C'est l'un des grands défis de la technologie des nanoribbon de graphène, et c'est pourquoi nous en sommes si enthousiastes. "
Les nanorubans de graphène de type métal ont une large bande électronique partiellement remplie, typique des métaux, et peuvent être comparables en conductivité au graphène bidimensionnel.
«C'est la première fois que nous pouvons créer un conducteur ultra-fin à partir de matériaux à base de carbone et c'est une véritable avancée», a ajouté Fischer.
Crommy, Fisher et leurs collègues de l'Université de Californie à Berkeley et du Berkeley National Laboratory ont publié leurs résultats dans le numéro du 25 septembre de Science.
Les circuits intégrés à base de silicium sont utilisés dans les ordinateurs depuis des décennies, augmentant régulièrement en vitesse et en performances selon la loi de Moore, mais ils atteignent déjà leurs limites de vitesse pour la rapidité avec laquelle ils peuvent basculer entre «zéros» et «uns». Il devient également plus difficile de réduire la consommation d'énergie; les ordinateurs consomment déjà une part importante de la production d'énergie mondiale. Les ordinateurs à base de carbone peuvent potentiellement basculer plusieurs fois plus rapidement que les ordinateurs au silicium et ne consomment qu'une fraction de leur énergie, a déclaré Fisher.
Le graphène, qui est du carbone pur, a été le principal concurrent pour la prochaine génération d'ordinateurs à base de carbone. Cependant, les bandes étroites de graphène sont principalement des semi-conducteurs et le défi était de les faire fonctionner comme isolants et métaux afin de construire des transistors à base de carbone.
Il y a plusieurs années, Fisher et Crommy se sont associés avec le théoricien des matériaux Stephen Louis, professeur de physique à l'Université de Californie à Berkeley, pour découvrir de nouvelles façons de connecter de petits morceaux de nanoribbon tout en préservant toutes les propriétés conductrices.
Il y a deux ans, l'équipe a démontré qu'en connectant correctement de courts segments de nanoribbon, les électrons de chaque segment peuvent être positionnés pour créer un nouvel état topologique - une fonction d'onde quantique particulière - résultant en des propriétés accordables du semi-conducteur.
Dans le nouveau travail, ils utilisent une technique similaire pour «assembler» de courts segments de nanorubans pour créer un fil métallique conducteur de plusieurs dizaines de nanomètres de long et d'un nanomètre de large seulement.
«Ils sont tous conçus pour s'emboîter d'une seule manière. C'est comme si vous preniez un sac Lego, que vous le secouiez et que vous aviez une voiture entièrement assemblée », dit-il. "C'est la magie du contrôle d' auto-assemblage avec la chimie."
«Grâce à la chimie, nous avons apporté de minuscules changements à une liaison chimique pour 100 atomes et augmenté la conductivité du nanoribbon 20 fois. Et il est important d'un point de vue pratique d'obtenir du bon métal de cette façon », a déclaré Crommy.
«Je pense que cette technologie va révolutionner la façon dont nous construisons des circuits intégrés à l'avenir», a déclaré Fischer. «Ce sera un grand pas en avant dans la conception et la fabrication d'électronique, par rapport à ce que vous attendez du silicium actuellement. Nous avons maintenant la possibilité d'obtenir des performances plus rapides avec une consommation d'énergie bien moindre. Ce sera le moteur de l'avenir de l'industrie des semi-conducteurs électroniques. "