Le silicium est le roi de la technologie des semi-conducteurs qui sous-tend les smartphones, les ordinateurs, les véhicules électriques et bien d’autres choses encore, mais sa couronne est peut-être en train de glisser selon une équipe dirigée par des chercheurs de l’État de Pennsylvanie (USA). En première mondiale, ils ont utilisé des matériaux bidimensionnels (2D), dont l’épaisseur n’est que d’un atome et qui conservent leurs propriétés à cette échelle, contrairement au silicium, pour mettre au point un ordinateur capable d’effectuer des opérations simples.
Cette avancée, publiée (le 11 juin) dans la revue Nature, représente un grand pas en avant vers la réalisation d’une électronique plus fine, plus rapide et plus économe en énergie, ont déclaré les chercheurs. Ils ont créé un ordinateur à semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS) – technologie au cœur de presque tous les appareils électroniques modernes – sans recourir au silicium. Au lieu de cela, ils ont utilisé deux matériaux 2D différents pour développer les deux types de transistors nécessaires pour contrôler le flux de courant électrique dans les ordinateurs CMOS : le disulfure de molybdène pour les transistors de type n et le diséléniure de tungstène pour les transistors de type p.
« Le silicium est à l’origine de progrès remarquables dans le domaine de l’électronique depuis des décennies en permettant une miniaturisation continue des transistors à effet de champ (FET) », a déclaré Saptarshi Das, professeur d’ingénierie Ackley et professeur de sciences de l’ingénieur et de mécanique à Penn State, qui a dirigé les travaux de recherche. Les transistors à effet de champ contrôlent le flux de courant en utilisant un champ électrique, qui est produit lorsqu’une tension est appliquée. « Cependant, à mesure que les dispositifs en silicium rétrécissent, leurs performances commencent à se dégrader. Les matériaux bidimensionnels, en revanche, conservent leurs propriétés électroniques exceptionnelles à l’épaisseur atomique, ce qui ouvre une voie prometteuse ».
M. Das a expliqué que la technologie CMOS nécessite des semi-conducteurs de type n et de type p fonctionnant ensemble pour obtenir des performances élevées avec une faible consommation d’énergie – un défi majeur qui a entravé les efforts visant à dépasser le silicium. Bien que des études antérieures aient démontré l’existence de petits circuits basés sur des matériaux 2D, l’évolution vers des ordinateurs complexes et fonctionnels est restée insaisissable, a déclaré M. Das.
« C’est la principale avancée de notre travail », a ajouté M. Das. « Nous avons démontré, pour la première fois, un ordinateur CMOS construit entièrement à partir de matériaux 2D, en combinant des transistors de disulfure de molybdène et de diséléniure de tungstène cultivés sur de grandes surfaces ».
L’équipe a utilisé le dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique (MOCVD) – un procédé de fabrication qui consiste à vaporiser des ingrédients, à forcer une réaction chimique et à déposer les produits sur un substrat – pour faire croître de grandes feuilles de disulfure de molybdène et de diséléniure de tungstène et fabriquer plus de 1 000 transistors de chaque type. En réglant soigneusement les étapes de fabrication et de post-traitement des dispositifs, ils ont pu ajuster les tensions de seuil des transistors de type n et p, ce qui a permis de construire des circuits logiques CMOS entièrement fonctionnels.
« Notre ordinateur CMOS 2D fonctionne à des tensions d’alimentation faibles avec une consommation d’énergie minimale et peut effectuer des opérations logiques simples à des fréquences allant jusqu’à 25 kilohertz », a précisé le premier auteur, Subir Ghosh, étudiant en doctorat en sciences de l’ingénieur et en mécanique sous le mentorat de M. Das.
M. Ghosh note que la fréquence de fonctionnement est faible par rapport aux circuits CMOS en silicium conventionnels, mais que leur ordinateur – connu sous le nom d’ordinateur à jeu d’instructions unique – peut encore effectuer des opérations logiques simples.
« Nous avons également mis au point un modèle de calcul, calibré à l’aide de données expérimentales et intégrant les variations entre les dispositifs, afin de projeter les performances de notre ordinateur CMOS 2D et de le comparer à la technologie de pointe au silicium », a déclaré M. Ghosh. « Bien qu’il reste des possibilités d’optimisation, ce travail marque une étape importante dans l’exploitation des matériaux 2D pour faire progresser le domaine de l’électronique ».
M. Das est d’accord, expliquant que des travaux supplémentaires sont nécessaires pour développer l’approche de l’ordinateur CMOS 2D en vue d’une utilisation à grande échelle, mais soulignant également que le domaine évolue rapidement par rapport au développement de la technologie du silicium.
« La technologie du silicium est en cours de développement depuis environ 80 ans, alors que la recherche sur les matériaux 2D est relativement récente et n’est apparue que vers 2010 », a conclu M. Das. « Nous nous attendons à ce que le développement d’ordinateurs à base de matériaux 2D soit également un processus progressif, mais il s’agit d’un bond en avant par rapport à la trajectoire du silicium. »
Légende illustration : illustration conceptuelle d’un ordinateur basé sur des molécules 2D montre une image de microscope électronique à balayage de l’ordinateur fabriqué par une équipe de chercheurs de l’État de Pennsylvanie. Le clavier comporte des touches en surbrillance étiquetées avec les abréviations de disulfure de molybdène et de diséléniure de tungstène, représentant les deux matériaux 2D utilisés pour développer les transistors de l’ordinateur. Crédit : Krishnendu Mukhopadhyay/Penn State
Article : « ‘A complementary two-dimensional material-based one instruction set computer » – DOI : s41586-025-08963-7
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