Le grand changement de la houille : à la pointe de l’avenir de la nanotechnologie

Patrick Lesggie

Une tranche contenant des memristors fabriqués avec un matériau en carbone bidimensionnel de très haute qualité provenant du charbon bitumineux Blue Gem, extrait dans le Kentucky du sud-est, dont deux échantillons sont présentés ici. Crédit : La faculté d’ingénierie The Grainger College de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign

Des chercheurs ont transformé le charbon en matériaux de haute pureté pour une utilisation dans les dispositifs électroniques de nouvelle génération, marquant un changement significatif dans ses applications économiques et technologiques.

Le charbon est une ressource abondante aux États-Unis qui a malheureusement contribué au changement climatique par son utilisation en tant que combustible fossile. Alors que le pays passe à d’autres moyens de production d’énergie, il sera important de considérer et de réévaluer le rôle économique du charbon. Un effort de recherche conjoint de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, du National Energy Technology Laboratory, du Oak Ridge National Laboratory et de la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) a montré comment le charbon peut jouer un rôle vital dans les dispositifs électroniques de nouvelle génération.

« On pense habituellement que le charbon est quelque chose de volumineux et sale, mais les techniques de traitement que nous avons développées peuvent le transformer en matériaux de haute pureté de seulement quelques atomes d’épaisseur », a déclaré Qing Cao, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université de l’Illinois et co-leader de la collaboration. « Leurs structures atomiques uniques et leurs propriétés sont idéales pour fabriquer certains des plus petits dispositifs électroniques possibles, avec des performances supérieures à l’état de l’art. »

Un processus développé par le NETL convertit d’abord le charbon en disques de carbone nanométriques appelés « points de carbone » que le groupe de recherche de l’Université de l’Illinois a démontré être capables de se connecter pour former des membranes atomiquement fines pour des applications à la fois dans les transistors bidimensionnels et dans les memristors, des technologies qui seront essentielles à la construction d’équipements électroniques plus avancés. Ces résultats sont rapportés dans le journal Communications Engineering.

Parfait pour les appareils électroniques en 2D

Dans la recherche constante de dispositifs électroniques plus petits, plus rapides et plus efficaces, l’étape décisive sera des dispositifs fabriqués avec des matériaux épais de seulement un ou deux atomes. Il est impossible pour les dispositifs d’être plus petits que cette limite, et leur petite taille les rend souvent beaucoup plus rapides et consommant beaucoup moins d’énergie. Alors que les semi-conducteurs ultra-fins ont été largement étudiés, il est également nécessaire d’avoir des isolants atomiquement minces – des matériaux qui bloquent les courants électriques – pour construire des dispositifs électroniques fonctionnels tels que des transistors et des memristors.

Des couches atomiquement minces de carbone avec des structures atomiques désordonnées peuvent fonctionner comme un excellent isolant pour construire des dispositifs bidimensionnels. Les chercheurs de la collaboration ont montré que de telles couches de carbone peuvent être formées à partir de points de carbone dérivés du charbon. Pour démontrer leurs capacités, le groupe de l’Université de l’Illinois dirigé par Cao a développé deux exemples de dispositifs bidimensionnels.

« C’est vraiment excitant, car c’est la première fois que le charbon, quelque chose que nous considérons normalement comme peu technologique, a été directement associé à l’avant-garde des microélectroniques », a déclaré Cao.

Diélectrique de transistor

Le groupe de Cao a utilisé des couches de carbone dérivées du charbon comme diélectrique de grille dans des transistors bidimensionnels construits sur le semimétal graphène ou le semiconducteur disulfure de molybdène pour permettre une vitesse de fonctionnement du dispositif plus de deux fois plus rapide avec une consommation d’énergie réduite. Comme d’autres matériaux atomiquement minces, les couches de carbone dérivées du charbon ne possèdent pas de « liaison pendante », ou d’électrons qui ne sont pas associés à une liaison chimique. Ces sites, qui abondent à la surface des isolants tridimensionnels conventionnels, modifient leurs propriétés électriques en fonctionnant efficacement comme des « pièges », ralentissant le transport des charges mobiles et donc la vitesse de commutation des transistors.

Cependant, contrairement à d’autres matériaux atomiquement fins, les nouvelles couches de carbone dérivées du charbon sont amorphes, ce qui signifie qu’elles ne possèdent pas une structure cristalline régulière. Elles n’ont donc pas de limites entre différentes régions cristallines qui servent de voies de conduction menant à une « fuite », où des courants électriques indésirables circulent à travers l’isolant et causent une consommation d’énergie supplémentaire substantielle pendant le fonctionnement du dispositif.

Filament de memristor

Un autre application étudiée par le groupe de Cao est celle des memristors – des composants électroniques capables de stocker et de manipuler les données pour améliorer grandement la mise en œuvre de la technologie de l’intelligence artificielle. Ces dispositifs stockent et représentent les données en modulant un filament conducteur formé par des réactions électrochimiques entre une paire d’électrodes avec l’isolant intercalé entre elles.

Les chercheurs ont constaté qu’en adoptant des couches de carbone ultraminces dérivées du charbon comme isolant, la formation rapide d’un tel filament avec une faible consommation d’énergie est possible, permettant une vitesse de fonctionnement élevée du dispositif avec une faible puissance. De plus, les anneaux de la taille d’un atome dans ces couches de carbone dérivées du charbon confinent le filament pour améliorer les opérations reproductibles du dispositif pour une fidélité de stockage de données et une fiabilité améliorées.

De la recherche à la production

Les nouveaux dispositifs développés par le groupe de Cao fournissent une preuve de principe de l’utilisation de couches de carbone dérivées du charbon dans des dispositifs bidimensionnels. Il reste à prouver que de tels dispositifs peuvent être fabriqués à grande échelle.

« L’industrie des semi-conducteurs, y compris nos collaborateurs chez Taiwan Semiconductor, est très intéressée par les capacités des dispositifs bidimensionnels, et nous essayons de tenir cette promesse », a déclaré Cao. « Au cours des prochaines années, l’Université de l’Illinois continuera de collaborer avec le NETL pour développer un processus de fabrication pour les isolants en carbone à base de charbon pouvant être mis en œuvre dans les environnements industriels. »

Référence : “Ultrathin quasi-2D amorphous carbon dielectric prepared from solution precursor for nanoelectronics” by Fufei An, Congjun Wang, Viet Hung Pham, Albina Borisevich, Jiangchao Qian, Kaijun Yin, Saran Pidaparthy, Brian Robinson, Ang-Sheng Chou, Junseok Lee, Jennifer Weidman, Sittichai Natesakhawat, Han Wang, André Schleife, Jian-Min Zuo, Christopher Matranga and Qing Cao, 20 December 2023, Communications Engineering.
DOI: 10.1038/s44172-023-00141-9