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LE GRAPHÈNE, STAR DES NANOTRANSISTORS

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SAMEDI 22 MARS 2008

SCIENCES ET TECHNOLOGIES 

 

Les feuilles de cristaux de carbone provoquent un engouement mondial. Une alternative séduisante au silicium des futurs nanotransistors.

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Le graphène est loin d'être un matériau inconnu, le graphite dont il vient est par exemple à la base des mines de « crayon à papier ».

Le graphène suscite actuellement beaucoup d'enthousiasme en nanoélectronique. C'était la star du colloque de l'American Physical Society, la semaine dernière à La Nouvelle-Orléans. A tel point que le comité d'organisation a dû se battre pour donner de la place à d'autres sujets » : Phaedon Avouris n'en revient toujours pas. Pour le responsable des recherches en nanotechnologie chez IBM, le successeur du transistor en silicium sera en carbone.

Depuis plusieurs années, les chercheurs pensent que le silicium est condamné par la miniaturisation des puces. Au fur et à mesure que la finesse de gravure des circuits se rapproche de quelques nanomètres, les effets quantiques apparaissent. Les électrons se comportent différemment à cette échelle et compromettent les qualités semi-conductrices du silicium. La grille et son isolant, qui jouent le rôle d'interrupteur logique dans un transistor, subissent alors des fuites de courant. « Dans les tunnels quantiques, les électrons deviennent difficiles à confiner », rappelle Phaedon Avouris.

Les physiciens qui étudient les nanotransistors empruntent des stratégies différentes pour contourner le problème. La spintronique étudie un phénomène peu exploité jusqu'ici, le spin des électrons. D'autres équipes veulent remplacer la grille par une molécule. Ce type de transistor moléculaire a surtout donné lieu à des travaux théoriques, notamment en France. Des chercheurs misent par ailleurs sur les nanofils en matériaux semi-conducteurs.

Mais, pour Phaedon Avouris, ce sont les nanostructures de carbone qui remportent le plus d'espoir, des centaines d'équipes s'y étant spécialisées. Outre leur résistance mécanique (supérieure à celle du diamant), ces cristaux particuliers d'atomes de carbone ont révélé des propriétés électriques formidables : les électrons y voyagent à grande vitesse. Dans les conducteurs métalliques ou semi-conducteurs, ils butent sans cesse sur des obstacles, cette résistance provoquant la chaleur, ennemi numéro un de l'électronique.

Les chercheurs ont d'abord exploité les nanotubes de carbone que l'on sait produire depuis une décennie et demie. Comme le graphène, ces cristaux d'atomes de carbone sont structurés en feuilles de mailles hexagonales. Mais, dans le cas des nanotubes, les feuilles sont roulées pour constituer des sortes de longues pailles creuses. Les nanotubes ont d'emblée séduit les spécialistes de l'électronique, car ils possèdent une « bande interdite », c'est-à-dire un niveau d'énergie que les électrons doivent franchir pour ouvrir l'interrupteur du transistor. C'est cette barrière qui donne aux semi-conducteurs leur double qualité d'isolant et de conducteur. « Nous avons conçu des prototypes de nanotransistors à tubes et même des circuits complets. »

Mensurations parfaites

Ces spécialistes ont depuis diversifié leurs travaux en direction du graphène. Son épaisseur extrême d'un atome de carbone et sa forme plane offrent des mensurations parfaites pour intégrer un circuit électronique. Le graphène est loin d'être un matériau inconnu, le graphite dont il vient est par exemple à la base des mines de « crayon à papier ».

Il a toutefois fallu attendre les années 2004-2005 pour savoir extraire ces feuilles ultrafines. Les techniciens tentèrent au début de décaper du graphite en couches de 100 puis 10 atomes d'épaisseur. Il y a quatre ans, l'équipe d'Andre Geim, de l'université britannique de Manchester, a eu une idée d'une simplicité enfantine, a posteriori. Ils ont déposé du ruban adhésif sur un tas de graphite concassé grossièrement. Dans la poussière collée au ruban, ils trouvèrent quelques feuilles de graphène, stables même à température normale. Cette trouvaille a déclenché un grand engouement dans le monde des physiciens des matériaux. La Grande-Bretagne en fait désormais un sujet de recherche national, tiré par l'élan d'Andre Geim.

Comportement quantique

Reste que les chercheurs ont dû trouver une parade au fait que le graphène ne possède pas de « bande interdite ». Ils savent aujourd'hui que, en réduisant fortement la taille du feuillet, les électrons adoptent un comportement quantique. En faisant varier le voltage dans la grille, on peut redonner au graphène une « bande interdite » et retrouver une fonction d'interrupteur logique. Il faut alors compter sur un autre écueil : à ces dimensions, le courant d'électrons « coule » moins vite, victimes d'interférences. « Nous avons alors trouvé que, en empilant deux feuillets de graphène, les interférences se calment, comme si le bruit respectif des électrons des deux couches se neutralisait », se réjouit Phaedon Avouris.

Pour Andre Geim, les graphènes pourraient permettre aux transistors de passer sous la barre des 10 nanomètres de large. A condition de parvenir à les produire en quantité industrielle. IBM a décidé de donner carte blanche à ses équipes. « Aucun laboratoire industriel ne travaille à notre niveau », assène Phaedon Avouris, pour qui Intel se contente surtout de surveiller les travaux des universitaires. A Fishkill, les équipes de développement ne se font quand même pas trop d'illusions : le nanotransistor arrivera dans plus de dix ans.

Chez IBM comme dans de nombreux laboratoires, les spécialistes du graphène veulent exploiter le potentiel de ces cristaux bien au-delà de la nanoélectronique. Les spécialistes des matériaux imaginent d'autres innovations en nanomécanique, dans les membranes filtrantes ou les micromachines.

MATTHIEU QUIRET À YORKTOWN (ÉTAT DE NEW YORK

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