Des chercheurs ont découvert ce qu’ils qualifient de semi-conducteur le plus rapide et le plus efficace à ce jour. Alors que ce nouveau matériau a été fabriqué à partir de l’un des éléments les plus rares sur notre planète, les scientifiques indiquent que des éléments semblables fabriqués à partir de matériaux plus abondants pourraient être trouvés et fonctionner à une vitesse comparable.
Le rôle des semi-conducteurs dans l’électronique moderne
Les semi-conducteurs sont à la base de pratiquement toute l’électronique moderne. Cependant, aussi courants qu’ils soient devenus, les semi-conducteurs sont toujours confrontés à des contraintes en termes de vitesse. Une des raisons de ces limites de vitesse a à voir avec les vibrations atomiques, qui se déplacent sous forme de quasi-particules appelées phonons dans les matériaux solides.
Les phonons ont la capacité de disperser les particules qui transportent l’énergie et l’information dans l’électronique. Ces particules sont généralement des électrons, mais parfois des particules plus exotiques, comme les excitons (électrons liés à leurs contreparties de quasi-particules chargées positivement, les trous d’électrons).
Une nouvelle étude surprenante
Dans une nouvelle étude qui a surmonté les problèmes que peuvent causer les phonons, les chercheurs ont expérimenté un semi-conducteur fabriqué à partir de Re6Se8Cl2, une molécule construite à partir de rhénium, de sélénium et de chlore. Les atomes du semi-conducteur forment des grappes appelées « superatomes » qui se comportent chacun comme un grand atome, mais avec des propriétés différentes de celles des éléments utilisés pour les construire.
Lorsque les excitons entrent en contact avec les phonons dans le Re6Se8Cl2, au lieu de se disperser, ils se lient en fait ensemble, formant de nouvelles quasi-particules appelées excitons-polarons acoustiques. Ces quasi-particules sont capables d’un flux balistique, ou sans dispersion.
Dans des expériences à température ambiante, les excitons-polarons acoustiques dans le Re6Se8Cl2 se déplaçaient deux fois plus vite que les électrons dans le silicium. C’est le premier matériau dans lequel on a détecté un mouvement excitonique balistique soutenu à température ambiante.
« Si vous pensez à un processeur gigahertz, actuellement, en principe, vous pourriez aller jusqu’à des centaines de gigahertz ou peut-être un térahertz en termes de vitesse de commutation de votre transistor avec le nouveau matériau », déclare Milan Delor chimiste physique à l’Université Columbia à New York. « En principe, nous avons prédit que les gains de performance seraient énormes. »
En synthèse
Les chercheurs suggèrent que les excitons-polarons acoustiques « pourraient être une manière générale d’obtenir un flux d’énergie à longue portée dans différents matériaux qui ne seraient pas traditionnellement censés montrer de bonnes propriétés de transport », précise Milan Delor. « C’est une découverte surprenante que nous avons hâte d’appliquer à d’autres systèmes ».
Une autre réserve de ce travail est qu’il repose sur des excitons au lieu d’électrons. « Bien que les excitons transportent de l’information et de l’énergie tout comme les électrons, ils ne sont pas nécessairement compatibles avec le matériel actuel utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs », ajoute Milan Delor. Par conséquent, les applications pour ces semi-conducteurs « seraient probablement différentes de celles des semi-conducteurs traditionnels ».
Les dispositifs potentiels fabriqués à partir de ces semi-conducteurs pourraient inclure des «transistors balistiques» qui utilisent des excitons au lieu d’électrons. Ceux-ci pourraient servir de détecteurs de lumière très efficaces, ou trouver une utilisation en informatique pour réduire les pertes d’énergie et augmenter les performances, toujours selon Milan Delor.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un semi-conducteur ?
Un semi-conducteur est un matériau qui a la capacité de conduire l’électricité, mais pas aussi efficacement qu’un conducteur. Les semi-conducteurs sont à la base de pratiquement toute l’électronique moderne.
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Qu’est-ce qui limite la vitesse des semi-conducteurs ?
Une des raisons de ces limites de vitesse a à voir avec les vibrations atomiques, qui se déplacent sous forme de quasi-particules appelées phonons dans les matériaux solides. Les phonons peuvent disperser les particules qui transportent l’énergie et l’information dans l’électronique.
Qu’est-ce que le Re6Se8Cl2 ?
Le Re6Se8Cl2 est un semi-conducteur fabriqué à partir de rhénium, de sélénium et de chlore. Les atomes du semi-conducteur forment des grappes appelées « superatomes » qui se comportent chacun comme un grand atome, mais avec des propriétés différentes de celles des éléments utilisés pour les construire.
Qu’est-ce qu’un exciton-polaron acoustique ?
Un exciton-polaron acoustique est une nouvelle quasi-particule formée lorsque les excitons entrent en contact avec les phonons dans le Re6Se8Cl2. Ces quasi-particules sont capables d’un flux balistique, ou sans dispersion.
Quelles sont les applications potentielles de ces semi-conducteurs ?
Les dispositifs potentiels fabriqués à partir de ces semi-conducteurs pourraient inclure des «transistors balistiques» qui utilisent des excitons au lieu d’électrons. Ceux-ci pourraient servir de détecteurs de lumière très efficaces, ou trouver une utilisation en informatique pour réduire les pertes d’énergie et augmenter les performances.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| 1. Les chercheurs ont découvert un semi-conducteur ultra-rapide et efficace, le Re6Se8Cl2. |
| 2. Ce semi-conducteur est fabriqué à partir de rhénium, de sélénium et de chlore. |
| 3. Les excitons et les phonons dans le Re6Se8Cl2 forment des quasi-particules appelées excitons-polarons acoustiques. |
| 4. Ces quasi-particules sont capables d’un flux balistique, ou sans dispersion. |
| 5. Les excitons-polarons acoustiques dans le Re6Se8Cl2 se déplacent deux fois plus vite que les électrons dans le silicium. |
| 6. Les dispositifs potentiels fabriqués à partir de ces semi-conducteurs pourraient inclure des « transistors balistiques » qui utilisent des excitons au lieu d’électrons. |
| 7. Ces dispositifs pourraient servir de détecteurs de lumière très efficaces, ou trouver une utilisation en informatique pour réduire les pertes d’énergie et augmenter les performances. |
| 8. Le rhénium est l’un des éléments les plus rares sur Terre, ce qui rend le Re6Se8Cl2 très coûteux et peu probable pour une utilisation commerciale. |
| 9. Cependant, il existe d’autres semi-conducteurs superatomiques qui partagent des propriétés structurelles et électroniques avec le Re6Se8Cl2 et qui sont fabriqués à partir d’éléments plus abondants. |
| 10. Les chercheurs suggèrent que les excitons-polarons acoustiques pourraient être une manière générale d’obtenir un flux d’énergie à longue portée dans différents matériaux. |
Références
La découverte a été publiée dans la revue Science du 27 octobre 2023. Science DOI: 10.1126/science.adf2698
Jakhangirkhodja Tulyagankhodjaev et al. Room temperature wavelike exciton transport in a van der Waals superatomic semiconductor. Science 2023. DOI: 10.1126/science.adf2698
Abstract
« Le transport de l’énergie et de l’information dans les semi-conducteurs est limité par la diffusion entre les porteurs électroniques et les phonons du réseau, ce qui entraîne un transport diffusif et avec perte qui freine toutes les technologies des semi-conducteurs. En utilisant Re6Se8Cl2, un semi-conducteur superatomique de van der Waals (vdW), nous démontrons la formation d’excitons-polarons acoustiques, une quasiparticule électronique protégée de la diffusion des phonons. Nous avons directement imagé le transport des polarons dans Re6Se8Cl2 à température ambiante, révélant une propagation quasi balistique et ondulatoire soutenue pendant une nanoseconde et plusieurs micromètres. Le transport blindé des polarons conduit à des longueurs de propagation de l’énergie électronique supérieures de plusieurs ordres de grandeur à celles des autres semi-conducteurs vdW, dépassant même le silicium sur une nanoseconde. Nous proposons que, de manière contre-intuitive, des bandes électroniques quasi plates et un fort couplage exciton-phonon acoustique soient ensemble responsables des propriétés de transport de Re6Se8Cl2, établissant une voie vers des semi-conducteurs balistiques à température ambiante. »
Sources : Université de Columbia, IEEE
