Le graphène et sa merveilleuse capacité de transistor à 100 GHz

Le graphène est un super matériau merveilleux qui sort littéralement de l'ordinaire, notamment parce que la liste de ses applications et capacités potentielles, qui ne cesse de s'allonger, semble sortir tout droit d'une bande dessinée de Marvel, mais aussi parce qu'à l'heure actuelle, comme c'est le cas depuis un certain temps, le graphène est totalement impraticable. Les applications sont nombreuses, mais pas l'utilisation : un pouce carré coûte environ 60 dollars, alors qu'il est largement admis que le graphène doit atteindre 1 dollar par pouce carré pour être utilisable dans des applications technologiques, tandis que pour les écrans tactiles, 10 cents par pouce carré est la limite.

Le graphène est une sensation car il est constitué d'une couche d'atomes en nid d'abeille. Il s'agit d'une couche unique d'atomes que l'on peut saisir, ce qui est absolument incroyable. Il s'agit du premier matériau 2D au monde et il a suscité l'enthousiasme des scientifiques et des industriels, à juste titre. Le Graphene Flagship Consortium, dont fait partie Nokia, vient de remporter une énorme subvention de l'UE pour le développement et la recherche sur le graphène, étalée sur les dix prochaines années. Il a été découvert en 2004 à l'université de Manchester et, six ans plus tard, le professeur Andre Geim et le docteur Kostya Novoselov ont reçu le prix Nobel 2010 pour leurs travaux.

Il est cultivé par un processus appelé exfoliation mécanique et, bien que difficile, il est possible de le reproduire soi-même en combinant de la poudre de graphite, de l'eau et du liquide vaisselle à un mélange à grande vitesse et voilà le matériau le plus solide connu de l'humanité. Bien que la plupart des techniques à échelle réduite permettent d'obtenir moins d'un demi-gramme par heure, la demande réelle porte sur une production à plus grande échelle et à moindre coût. Les développements sont extrêmement excitants, la résistance est un facteur essentiel, oui, avec une fraction de graphène améliorant la résistance des polyesters de 50 %, mais ce sont les propriétés thermiques qui revigorent les industries avec notre forte dépendance à la technologie et le manque d'applications réelles pour correspondre, ce qui est exactement le point d'achoppement pour le graphène.

Si vous posiez une feuille de graphène sur une feuille de papier blanc, vous pourriez voir une couche d'atomes à l'œil nu ! Les scientifiques ont maintenant conçu un transistor à base de graphène qui consomme très peu d'énergie et qui pourrait être utilisé pour augmenter la vitesse d'horloge des processeurs jusqu'à la vitesse stupéfiante de 100 GHz. Les transistors actuels permettent aux électrons - déclenchés par une source d'énergie - de franchir une barrière d'énergie pour modifier le courant de l'autre côté, et leur fonctionnement laisse très peu de marge pour améliorer l'efficacité et donc les performances globales.

Les transistors à effet tunnel consomment moins d'énergie que les transistors standard. Ils permettent aux électrons de franchir la barrière énergétique par effet tunnel quantique, mais le problème actuel est que le courant qui passe de l'autre côté de la barrière énergétique est trop faible pour des applications pratiques. Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont donc utilisé les propriétés électroniques bidimensionnelles et inhabituelles du graphène en utilisant deux couches de graphène collées ensemble, cette bicouche de graphène a une bande d'énergie qui ressemble à un sombrero, et non à la forme parabolique de la plupart des semi-conducteurs. Les électrons autour du bord de ce "sombrero" tendent vers l'infini et lorsqu'une petite tension est appliquée, une grande quantité de ces électrons passent dans un tunnel, d'où une forte variation du courant de l'autre côté de la barrière énergétique. Le résultat final est le même, mais il nécessite une tension nettement plus faible, utilisant moins d'énergie, générant moins de chaleur, ce qui permet d'augmenter la vitesse des horloges sans craindre que l'excès de chaleur ne détruise la puce.

L'absence d'évolution des vitesses de traitement au cours des dix dernières années a été largement observée : elles ont atteint environ 4 GHz en 2005 et très peu depuis lors. Un transistor à base de graphène a une plage de tension de fonctionnement de 150 mV contre 500 mV pour les transistors en silicium, de sorte que le graphène pourrait bien être la prochaine étape qui permettrait d'augmenter considérablement la puissance de calcul.

La densité du graphène est un million de fois supérieure à celle du cuivre et sa mobilité intrinsèque est cent fois supérieure à celle du silicium. Il peut transporter l'électricité avec une plus grande efficacité, une meilleure précision et plus rapidement que n'importe quel autre matériau, ce qui ouvre la voie à une vaste gamme d'applications quotidiennes telles que les batteries qui ont une capacité de rétention électrique dix fois supérieure à celle de tout ce qui est actuellement disponible. C'est le seul matériau qui se rétracte à chaud et se dilate lorsqu'il est refroidi, ce qui en fait le premier et le seul exemple de membrane conductrice d'électricité.

La bande d'énergie du graphène

Même les atomes d'hélium ne peuvent traverser le matériau le plus imperméable qui ait été découvert et qui semble vouloir battre tous les records qu'un matériau peut atteindre. Le graphène est donc un formidable détecteur de gaz et a même été utilisé pour distiller de la vodka à température ambiante. Comme indiqué précédemment, le potentiel des transistors est impressionnant, mais il est évident qu'ils ouvrent la porte à la physique quantique en rendant possibles des expériences extrêmement complexes dans le domaine de la physique quantique à grande vitesse.

Les transistors ne sont qu'un début, leurs propriétés légères, fines, flexibles et durables sont parfaites pour les composants électriques des écrans, des circuits, des cellules solaires ainsi que des processus médicaux, chimiques et industriels qui pourraient être améliorés par cette découverte tout à fait stupéfiante qui semble presque tirée par les cheveux, mais depuis 2004, le fils adoptif de la science n'a cessé d'étonner et continuera de le faire.

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