Des chercheurs exploitent les propriétés de défauts microscopiques présents dans un matériau extrêmement mince pour concevoir, à terme, des puces informatiques plus rapides et plus efficaces que les plateformes traditionnelles en silicium.
« Tous nos appareils électroniques actuels utilisent des puces en silicium, qui est un matériau tridimensionnel », a déclaré un physicien du Princeton Plasma Research Laboratory. « De nombreuses entreprises investissent désormais massivement dans des puces composées de matériaux bidimensionnels. »
Ces matériaux « bidimensionnels », appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMD), peuvent avoir une épaisseur de seulement quelques atomes. Les puces informatiques fabriquées à partir de ces semi-conducteurs ultrafins pourraient permettre le développement d’appareils plus petits et plus rapides en intégrant une puissance de traitement bien supérieure sur une surface réduite.
Dans une étude publiée le 24 mai dans la revue 2D Materials, l’équipe de recherche a examiné si l’utilisation de TMDs au lieu de silicium pourrait être une solution à l’idée que l’innovation avec les puces en silicium pourrait atteindre ses limites.
Les TMD les plus fins ne mesurent que trois atomes d’épaisseur et sont agencés comme un sandwich. Le « pain » est constitué d’atomes de chalcogène — des éléments du groupe 16 du tableau périodique, tels que l’oxygène ou le soufre. Les atomes de métaux de transition — des groupes 3 à 12 — forment la « garniture ».
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Les scientifiques ont cherché à exploiter de minuscules imperfections, appelées défauts, dans des TMD légèrement plus épais.
Bien que la plupart des atomes dans les TMD soient organisés de manière régulière, il arrive qu’un atome soit absent ou mal placé. Selon les chercheurs, ces défauts ne sont pas nécessairement nuisibles. Par exemple, certains défauts augmentent la conductivité électrique des TMD.
Pour tirer parti des effets positifs des défauts tout en minimisant leurs impacts négatifs, il était essentiel de comprendre comment ces défauts se forment et comment ils influencent les performances du matériau. L’équipe de Khalid a identifié les types de défauts qui se forment le plus facilement dans les TMD et a étudié leur impact sur les propriétés du matériau.
Dans un premier temps, l’équipe a analysé les défauts résultant de l’absence d’un atome de chalcogène. Une étude antérieure avait montré qu’un matériau TMD, le disulfure de molybdène, émet de manière inattendue de la lumière infrarouge lorsqu’il est éclairé. L’équipe a découvert que cette émission de lumière infrarouge était liée au mouvement des électrons dans l’espace laissé par l’atome de chalcogène manquant.
« Notre travail propose une stratégie pour étudier la présence de ces vides dans les TMD en vrac », a déclaré Khalid. « Nous avons expliqué des résultats expérimentaux antérieurs observés dans le disulfure de molybdène et prédit un phénomène similaire pour d’autres TMD. »
Ensuite, les chercheurs ont examiné un type de défaut où un atome d’hydrogène supplémentaire est compressé entre deux atomes de métal de transition voisins. L’hydrogène est une impureté courante qui apparaît lors de la formation des TMD. Ces atomes d’hydrogène supplémentaires confèrent à certains — mais pas tous — les matériaux TMD une légère charge négative, les transformant en semi-conducteurs de type « n ».
Les puces informatiques reposent sur des combinaisons de semi-conducteurs de type n et de semi-conducteurs de type « p » chargés positivement. Bien que les scientifiques sachent déjà que certains matériaux TMD peuvent agir comme des semi-conducteurs de type n, la nouvelle étude explique l’origine de cette charge négative supplémentaire.
Comprendre comment ces défauts influencent les performances des TMD pourrait aider les chercheurs à concevoir des puces informatiques de nouvelle génération. Bien que les puces TMD ne soient pas encore prêtes à être commercialisées, des entreprises explorent déjà les puces TMD ultrafines pour répondre aux exigences énergétiques des opérations d’intelligence artificielle.
