Utiliser les angles pour améliorer l'avenir de l'électronique

La nanotechnologie est un terme qui s'applique à une variété de domaines allant des vêtements et des peintures automobiles aux équipements sportifs et à l'électronique. En fin de compte, tout cela fait référence à une taille, le nanomètre (nm) et la capacité de l'humanité à comprendre, contrôler et manipuler les phénomènes uniques qui se produisent à cette dimension. Pour la perspective, une feuille de papier a une épaisseur d'environ 100 000 nm. (cliquez pour une chronologie interactive des nanotechnologies d'IBM)

Chez IBM Research et, dans certains projets, avec le soutien d'un financement gouvernemental, les scientifiques explorent l'échelle nanométrique pour améliorer la densité de puissance et l'efficacité énergétique des appareils électroniques, y compris tout, des téléphones mobiles aux capteurs IoT en passant par les centres de données cloud géants.

Fig 1 :Le dispositif en forme de clé de taille nanométrique peut être tourné comme des mains sur une serrure de 0 à 360 degrés, ce qui pourrait être utilisé comme interrupteur pour allumer et éteindre le courant d'un transistor à effet de champ tunnel.

L'un de ces projets est dirigé par le scientifique Elad Koren du laboratoire IBM de Zurich. Dans le projet, qui est financé dans le cadre du programme Ambizione au sein du Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS), l'équipe se concentre sur la compréhension de la physique de base de l'empilement de matériaux 2D, y compris le graphène actuellement populaire.

Bien qu'il y ait beaucoup de battage autour du graphène, il est considéré comme l'un des matériaux les plus prometteurs pour les futurs dispositifs électroniques et quantiques à semi-conducteurs en raison de ses propriétés électroniques supérieures. Il présente également de riches propriétés physiques selon la façon dont il est empilé sur un autre cristal 2D, et c'est ici que cela devient vraiment intéressant et un peu compliqué.

Lorsque les deux couches empilées sont constituées du même matériau, tel que le graphène, un ensemble spécial de super-réseaux 2D périodiques émergera à des angles spécifiques. Une telle inadéquation peut également induire une bande interdite dans les systèmes de graphène bicouche produisant l'une des premières étapes vers la construction de dispositifs de type transistor pour les appareils électroniques de prochaine génération qui sont plus puissants, mais économes en énergie.

Koren et ses collègues ont publié leurs premiers résultats dans le numéro de septembre 2016 de la revue à comité de lecture Nature Nanotechnology . Dans l'article, l'équipe a démontré comment, en utilisant la pointe acérée d'un microscope à force atomique, elle peut contrôler avec précision ce qui semble ressembler à une clé de maison commune (Fig. 1).

Le dispositif en forme de clé de taille nanométrique peut être tourné comme des mains sur une serrure de 0 à 360 degrés, ce qui pourrait être utilisé comme interrupteur pour allumer et éteindre le courant d'un transistor à effet de champ tunnel (TFET), une étape importante dans réduire les fuites d'énergie dans les appareils électroniques.

« Nous avons atteint une précision sans précédent dans le contrôle de la configuration de rotation avec une résolution angulaire – meilleure que 0,1 degré. Cela nous permet à la fois d'explorer la nature fondamentale de la pile et de réaliser son plein potentiel », a déclaré Koren.

Courant mesuré circulant à travers la nano-structure en graphite torsadé à un potentiel de polarisation de V =50 mV tout en faisant tourner en continu le bras de levier. Encart :représentation moment-espace du couplage de graphène bicouche à des angles de torsion correspondants θ = 21,8° et 38,2°.

La capacité de contrôler la configuration d'empilement avec une précision angulaire élevée permet de contrôler et de concevoir de nombreuses propriétés physiques et de réaliser de nouveaux matériaux innovants dans divers domaines scientifiques et technologiques tels que :l'électronique, l'optique, la thermoélectrique et l'électromécanique.

L'appareil permet également un flux magnétique élevé au sein d'une cellule à un seul cristal qui produit le célèbre papillon de Hofstadter, le comportement théorisé des électrons sous un champ magnétique puissant et un potentiel périodique.

Les lois de la friction n'échappent pas au régime nano et même à cette petite échelle, la friction devient un défi pour le dispositif en forme de clé et, comme nous le savons, la friction provoque de la chaleur, de l'usure et dissipe de l'énergie - une propriété malheureuse à cette échelle.

Incroyablement, le décalage de rotation dans les systèmes à couches 2D supprime fortement la friction et la dissipation d'énergie, un effet connu sous le nom de superlubrification.

« Il n'y a pratiquement pas de frictions. Il s'agit simplement de trouver le bon angle », ajoute Koren.

Koren espère qu'en partageant ses recherches avec d'autres dans le domaine, cela suscitera de nouvelles conceptions de matériaux et d'appareils.