Exploiter les matériaux 2D tordus pour révolutionner l'électronique

La nanotechnologie fait référence à la manipulation de la matière à l'échelle de quelques nanomètres (nm). Pour contexte, une feuille de papier fait environ 100 000 nm d'épaisseur. En maîtrisant les phénomènes uniques qui émergent à cette échelle, les scientifiques peuvent développer des dispositifs plus petits, plus rapides et plus économes en énergie.

À IBM Research, avec le soutien de partenaires gouvernementaux, les chercheurs sondent l'échelle nanométrique pour augmenter la densité de puissance et l'efficacité énergétique sur tout le spectre de l'électronique — des smartphones et capteurs IoT aux énormes centres de données cloud qui alimentent Internet.

Figure 1 : Un dispositif nano-clé rotatif 0°–360°, fonctionnant comme un interrupteur pour contrôler le courant dans un transistor à effet de tunnel (TFET).

Un effort pionnier est mené par le Dr Elad Koren du laboratoire de Zurich d'IBM. Financé par le programme Ambizione du Fonds national suisse de la recherche scientifique, l'équipe étudie la physique fondamentale de l'empilement de matériaux bidimensionnels (2D), avec un focus particulier sur le graphène.

Les propriétés électroniques exceptionnelles du graphène en font un favori pour les futurs dispositifs semi-conducteurs et quantiques. Lorsque deux couches de graphène identiques sont empilées à des angles relatifs précis, elles forment des super-réseaux périodiques qui peuvent ouvrir un gap de bande — une étape essentielle vers la création de transistors de prochaine génération à la fois puissants et économes en énergie.

En septembre 2016, Koren et collègues ont publié leurs premiers résultats dans la revue à comité de lecture Nature Nanotechnology. En utilisant la pointe d'un microscope à force atomique, ils ont atteint un contrôle sous-degré de l'alignement rotationnel des couches, produisant le dispositif en forme de clé montré à la Figure 1.

Le dispositif peut tourner sur 360°, agissant comme un interrupteur ultra-précis pour un TFET. Cette capacité est critique pour minimiser les courants de fuite et réduire la consommation d'énergie globale des circuits électroniques.

« Nous avons atteint une précision sans précédent dans le contrôle de la configuration rotationnelle avec une résolution angulaire meilleure que 0,1°, permettant à la fois des études fondamentales et la réalisation de dispositifs pratiques », a déclaré Koren.

Courant mesuré à travers la nanostructure de graphite tordue à un biais de 50 mV en rotation continue du bras de levier. Encadré : représentation en espace de moment du couplage de graphène bicouche aux angles de torsion commensurables de 21,8° et 38,2°.

Un contrôle précis de l'angle d'empilement permet aux ingénieurs d'adapter une large gamme de propriétés physiques — électroniques, optiques, thermoélectriques et électromécaniques — ouvrant des voies pour des matériaux innovants à travers la science et la technologie.

Quand une seule cellule cristalline est tordue, elle génère un flux magnétique élevé qui donne lieu au papillon de Hofstadter — un motif théorique décrivant le comportement des électrons dans des champs magnétiques forts combinés avec des potentiels périodiques.

Le frottement reste un défi même à l'échelle nanométrique, où il peut générer de la chaleur, de l'usure et des pertes d'énergie. Cependant, le désaccord rotationnel dans les systèmes 2D en couches supprime dramatiquement le frottement, un phénomène connu sous le nom de superlubrification.

« Il n'y a pratiquement pas de frottement — une fois que vous trouvez le bon angle, les couches glissent en douceur », a expliqué Koren.

En partageant ces découvertes avec la communauté de recherche au sens large, Koren espère inspirer de nouveaux concepts de matériaux et dispositifs qui façonneront l'avenir de l'électronique.