Charbon : un matériau inattendu dans le futur de l’électronique

Le charbon reste une ressource abondante aux États-Unis. Alors que le pays se tourne vers d’autres moyens de production d’énergie, la réévaluation du rôle économique du charbon devient un enjeu. Une recherche conjointe de plusieurs centres de recherche a démontré comment le charbon peut jouer un rôle vital dans les dispositifs électroniques de nouvelle génération.

« Le charbon est généralement perçu comme quelque chose d’encombrant et de sale, mais les techniques de traitement que nous avons développées peuvent le transformer en matériaux de haute pureté de seulement quelques atomes d’épaisseur », a précisé Qing Cao, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’U. de I. et co-responsable de la collaboration.

Et d’ajouter : « Leurs structures atomiques uniques et leurs propriétés sont idéales pour fabriquer certains des plus petits dispositifs électroniques possibles avec des performances supérieures à l’état de l’art. »

Un processus développé par le NETL convertit d’abord le charbon en disques de carbone à l’échelle nanométrique appelés « points de carbone » que le groupe de recherche de l’U. de I. a démontré qu’ils peuvent être connectés pour former des membranes atomiquement minces pour des applications dans les transistors bidimensionnels et les memristors, des technologies qui seront essentielles pour la construction d’électroniques plus avancées.

Transistor diélectrique

Le groupe de Qing Cao a utilisé des couches de carbone dérivées du charbon comme diélectrique de grille dans des transistors bidimensionnels construits sur le semi-métal graphène ou le semi-conducteur disulfure de molybdène pour permettre une vitesse de fonctionnement de l’appareil plus de deux fois plus rapide avec une consommation d’énergie plus faible.

Comme d’autres matériaux atomiquement minces, les couches de carbone dérivées du charbon ne possèdent pas de « liaisons pendantes », ou d’électrons qui ne sont pas associés à une liaison chimique. Ces sites, qui sont abondants à la surface des isolants tridimensionnels conventionnels, modifient leurs propriétés électriques en fonctionnant efficacement comme des « pièges », ralentissant le transport des charges mobiles et donc la vitesse de commutation du transistor.

Filament de memristor

Une autre application que le groupe de chercheurs a envisagée est les memristors – des composants électroniques capables de stocker et d’opérer sur des données pour améliorer considérablement la mise en œuvre de la technologie AI.

Ces dispositifs stockent et représentent des données en modulant un filament conducteur formé par des réactions électrochimiques entre une paire d’électrodes avec l’isolant intercalé entre les deux.

De la recherche à la production

Les nouveaux dispositifs développés par le groupe de Cao fournissent une preuve de principe pour l’utilisation de couches de carbone dérivées du charbon dans des dispositifs bidimensionnels. Ce qui reste à démontrer, c’est que de tels dispositifs peuvent être fabriqués à grande échelle.

En synthèse

Le charbon, souvent perçu comme une source d’énergie dépassée et polluante, pourrait jouer un rôle clé dans le développement de l’électronique de nouvelle génération. Grâce à des techniques de transformation innovantes, il peut être converti en matériaux de haute pureté idéaux pour la fabrication de dispositifs électroniques ultra-minces. Ces découvertes ouvrent la voie à de nouvelles applications du charbon dans le domaine de l’électronique, contribuant ainsi à revaloriser cette ressource abondante.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le charbon ?

Le charbon est une roche sédimentaire combustible riche en carbone. Il est principalement utilisé comme combustible fossile dans la production d’électricité.

Comment le charbon peut-il être utilisé dans l’électronique ?

Grâce à des techniques de transformation, le charbon peut être converti en disques de carbone à l’échelle nanométrique. Ces «points de carbone» peuvent être connectés pour former des membranes atomiquement minces, idéales pour la fabrication de dispositifs électroniques ultra-minces.

Qu’est-ce qu’un transistor ?

Un transistor est un dispositif électronique qui régule le flux de courant ou de tension, ou agit comme un commutateur pour les signaux électroniques et l’énergie électrique.

Qu’est-ce qu’un memristor ?

Un memristor est un composant électronique qui peut à la fois stocker et opérer sur des données, ce qui peut améliorer considérablement la mise en œuvre de la technologie AI.

Quels sont les avantages de l’utilisation du charbon dans l’électronique ?

L’utilisation du charbon dans l’électronique pourrait permettre de fabriquer des dispositifs plus petits, plus rapides et plus efficaces. De plus, cela pourrait contribuer à revaloriser le charbon, une ressource abondante.

Références

Légende illustration principale :

De gauche à droite : Qing Cao, professeur à la MatSE, et Fufei An, étudiant diplômé et auteur principal. Crédit photo : Heather Coit/Grainger Engineering

University of Illinois Urbana-Champaign, National Energy Technology Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company. (2024). Coal in next-generation electronic devices. Communications Engineering.