L’Université de Tokyo crée des nanotubes semi-conducteurs larges d’un nanomètre

Une équipe de l’Université de Tokyo a synthétisé des nanotubes semi-conducteurs de disulfure de molybdène mesurant seulement un nanomètre de diamètre, soit 100 000 fois moins que l’épaisseur d’un cheveu. Publiés le 4 juin dans Science, ces travaux confirment des prédictions théoriques vieilles de vingt-cinq ans et pourraient influencer la conception future des transistors.

Un cheveu humain, déjà ténu, mesure environ 100 000 nanomètres d’épaisseur. C’est dire à quel point les structures synthétisées par les chercheurs de l’Université de Tokyo défient l’échelle du visible ; leurs nanotubes semi-conducteurs affichent un diamètre d’un seul nanomètre. Un cent-millième de cheveu. Publiée le 4 juin dans la revue Science, la réalisation expérimentale valide des modèles théoriques établis il y a plus de vingt-cinq ans sur le comportement de la matière confinée à de telles dimensions extrêmes.

L’intérêt de ces résultats dépasse la seule prouesse de laboratoire. Dans un secteur où la course à la miniaturisation des transistors bute sur des limites physiques de plus en plus contraignantes, disposer de canaux semi-conducteurs stables et homogènes à l’échelle du nanomètre constitue une piste sérieuse pour prolonger la feuille de route de la microélectronique.

Une croissance confinée au cœur d’une coque protectrice

L’équipe dirigée par Yusuke Nakanishi, professeur associé au département des sciences des matériaux avancés, a mis au point une méthode de croissance en espace restreint. Des nanotubes monoparois de disulfure de molybdène (MoS₂) sont synthétisés à l’intérieur de nanotubes de nitrure de bore, qui font office d’armature et de couche isolante. Le résultat est une architecture coaxiale où un cœur semi-conducteur est gainé d’une enveloppe diélectrique, configuration particulièrement adaptée aux transistors à grille enveloppante.

Les procédés classiques de fabrication de nanotubes butent généralement sur un seuil de dix nanomètres de diamètre et produisent des structures multiparois ou irrégulières. La technique japonaise contourne l’obstacle : le gabarit de nitrure de bore impose une contrainte spatiale qui force le matériau à s’organiser en une paroi unique et ordonnée. « La structure coaxiale est particulièrement adaptée aux transistors à grille enveloppante, l’une des architectures de transistors les plus avancées », a précisé Nakanishi.

MoS₂ contre silicium et carbone : une bataille à l’échelle atomique

Le silicium, pilier de l’industrie des semi-conducteurs depuis soixante ans, montre ses limites lorsque les dimensions des transistors descendent sous la barre des quelques nanomètres. Les défauts structurels se multiplient, les courants de fuite augmentent et le contrôle électrostatique se dégrade. Les nanotubes de carbone, longtemps présentés comme une alternative crédible, souffrent d’un handicap : leur comportement électronique varie selon leur chiralité, qui reste difficile à maîtriser lors de la synthèse. Un même lot peut contenir des tubes métalliques et semi-conducteurs, introduisant une variabilité incompatible avec les exigences de production.

« Nos nanotubes pourraient offrir un moyen plus fiable de construire des canaux semi-conducteurs ultra-petits aux propriétés homogènes », a déclaré Nakanishi. « Leur principal atout réside dans le contrôle de leur structure à l’échelle atomique. »

Le disulfure de molybdène présente un diagramme de bandes bien établi et un gap électronique qui en fait un semi-conducteur à part entière, contrairement au graphène. La caractéristique, combinée à la régularité structurale obtenue par la croissance confinée, pourrait déboucher sur des transistors à la fois plus petits et plus prévisibles.

Du laboratoire à la puce : le long chemin restant

Les prototypes actuels mesurent quelques centaines de nanomètres de long. Un ordre de grandeur les sépare encore du micron, longueur minimale envisagée pour intégrer ces nanotubes dans des circuits fonctionnels. L’allongement constitue la priorité immédiate de l’équipe tokyoïte.

Par ailleurs, la méthode mise au point ne se limite pas au disulfure de molybdène. Nakanishi et ses collègues entrevoient son extension à d’autres composés inorganiques, notamment des matériaux magnétiques et supraconducteurs. Une piste qui, si elle se confirme, élargirait le champ de la science des nanotubes bien au-delà des systèmes carbonés explorés depuis les années 1990.

Si l’industrialisation reste lointaine, la démonstration publiée dans Science établit un seuil car pour la première fois, des nanotubes semi-conducteurs monoparois sont produits avec un diamètre d’un nanomètre et une structure atomique parfaitement définie. Une condition nécessaire, bien que non suffisante, pour envisager la prochaine génération de transistors.

Article : « Confined growth of armchair MoS2 nanotubes at the 1-nm limit » – DOI : 10.1126/science.aee3446

Source : Tokyo U.