Le phosphore noir est-il le silicium de demain?
Alors que les scientifiques poursuivent leurs efforts à la découverte d’un matériau permettant d’emmagasiner davantage de transistors sur un microcircuit, une nouvelle étude menée en partenariat à l’Université McGill et l’Université de Montréal tend à démontrer le potentiel élevé du phosphore noir à cet égard.
Dans une étude parue aujourd’hui dans la revue Nature Communications, les chercheurs indiquent que lorsque des électrons intègrent un transistor phosphoré, le processus ne s’opère qu’en deux dimensions. Selon les données recueillies, le phosphore noir pourrait aider les ingénieurs à relever l’un des plus importants défis à surmonter en matière d’électronique : la conception de transistors éconergétiques.
« Les transistors minces offrent une performance supérieure, car les électrons ne se déplacent qu’en deux dimensions », précise Thomas Szkopek, professeur agrégé au Département de génie électrique et informatique de l’Université McGill, et auteur principal de la nouvelle étude. « Rien n’est plus mince qu’une seule couche d’atomes. »
Le nano-coffre à outils du futur
En 2004, des physiciens de l’Université de Manchester, au Royaume-Uni, ont été les premiers à isoler et explorer les propriétés exceptionnelles du graphène – une strate de carbone de l’épaisseur d’un atome. Depuis, les scientifiques se sont empressés de pousser leurs recherches sur d’autres matériaux bidimensionnels. L’un d'eux est le phosphore noir, une forme de phosphore similaire au graphite que l’on peut facilement séparer en couches atomiques simples, connues sous le nom de phosphorène.
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Le phosphorène suscite un grand intérêt en raison de sa capacité à relever de nombreux défis liés à l’utilisation du graphène en électronique. Contrairement au graphène, dont les propriétés s’apparentent à celui du métal, le phosphore noir est un semi-conducteur naturel : on peut le mettre en marche et l’interrompre tout aussi facilement.
« Pour réduire la tension de fonctionnement des transistors et, du même coup, réduire la chaleur qu’ils émettent, nous devons parvenir à concevoir un transistor à l’échelle atomique », précise le professeur Szkopek.
« Le coffre à outils avec lequel travailleront les concepteurs de transistors de demain devra contenir divers matériaux formés de couches atomiques, dont le semi-conducteur idéal, le métal idéal et le diélectrique idéal. Pour mettre au point un transistor performant, chacun de ces trois composants doit être conçu de manière optimale. Le phosphore noir accomplit le rôle du matériau semi-conducteur. »
Les données colligées sont le fruit d’une collaboration multidisciplinaire entre l’équipe de recherche en nanoélectronique supervisée par le professeur Szkopek, le laboratoire de nanoscience guidé par le professeur Guillaume Gervais de l’Université McGill et le groupe de recherche en nanostructures dirigé par le professeur Richard Martel du Département de chimie de l’Université de Montréal.
Le laboratoire magnétique le plus puissant au monde
Pour examiner le déplacement d’électrons à l’intérieur d’un transistor phosphoré, les chercheurs ont observé ces derniers sous l’influence d’un champ magnétique, dans le cadre d’expériences menées au Laboratoire national des champs magnétiques intenses. Situé à Tallahassee, en Floride, il s’agit du laboratoire à haute puissance magnétique le plus important au monde. Selon Tim Murphy, directeur de l’installation de champ magnétique créé par courant continu du Laboratoire, cette recherche « fournit d’importantes perspectives quant aux principes physiques fondamentaux qui dictent la réaction du phosphore noir ».
« À la lecture des résultats obtenus, nous avons été étonnés de constater que les électrons parviennent à s’intégrer à une charge bidimensionnelle, bien qu’ils occupent un volume dont l’épaisseur équivaut à plusieurs couches atomiques », soutient le professeur Szkopek. Il s’agit d’une découverte importante, car elle pourrait contribuer à la fabrication du matériau. Cela dit, à l’heure actuelle « personne ne sait comment fabriquer ce matériau à grande échelle" ».
« Aux quatre coins du monde, le phosphore noir suscite énormément d’intérêt », ajoute le professeur Szkopek. “Bien que de nombreuses étapes doivent être franchies avant que nous parvenions à concevoir un produit commercial doté de transistors munis de couches atomiques, nous nous rapprochons néanmoins du but.”
Ces travaux ont été financés par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, l’Institut canadien de recherches avancées, le Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies, le Regroupement québécois sur les matériaux de pointe et le Programme des chaires de recherche du Canada. Les travaux ont été en partie réalisés au Laboratoire national des champs magnétiques intenses, un organisme soutenu par la Fondation nationale des sciences des États-Unis, l’État de la Floride et le Département américain de l’Énergie.
L’article « Two-dimensional magnetotransport in a black phosphorus-naked quantum well », par V. Tayari et coll., a été publié en ligne dans la revue Nature Communications le 7 juillet 2015. DOI : 10.1038/ncomms8702.
http://www.nature.com/ncomms/2015/150707/ncomms8702/full/ncomms8702.html
IMAGE: Schematic of the "puckered honeycomb" crystal structure of black phosphorus. CREDIT: Vahid Tayari/McGill University
