Des chercheurs suisses ont fabriqué des transistors à partir de molybdénite, un minéral qui entre dans la composition des aciers. Ses propriétés électriques en feraient un matériau plus intéressant que le graphène. De par son faible coût de production et ses grandes facultés de résistance, le graphène paraît prometteur pour la conception de matériaux composites et d’éléments électroniques. Néanmoins, pour des applications de type transistor, il faut transformer le cristal afin qu’il devienne un bon conducteur. Et cette opération est complexe, ou nécessite des hauts niveaux d’énergie.
Les puces électroniques du futur ne seront probablement pas faites de silicium ou de graphène mais plutôt d'un matériau appelé molybdénite (MoS2). Une recherche financée par l'UE présentée dans la revue Nature Nanotechnology montre que la molybdénite est un excellent semi-conducteur pouvant être utilisé pour la fabrication de transistors plus petits et à meilleur rendement énergétique.
Le soutien pour ces travaux provient du projet quinquennal FLATRONICS («Electronic devices based on nanolayers»), une subvention de démarrage du Conseil européen de la recherche (CER) d'une valeur de 1,8 million d'euros allouée au professeur Andras Kiss du Laboratoire d'électronique et structures à l'échelle nanométrique (LANES) de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, en 2009. Les subventions du CER sont financées au titre du programme Idées du septième programme-cadre (7e PC) de l'UE.
La molybdénite est un minéral que l'on trouve dans la nature. On l'utilise principalement comme élément d'alliage pour les aciers et en tant qu'additif dans les lubrifiants. Jusqu'à présent, on n'avait jamais exploré son potentiel en tant que semi-conducteur.
«C'est un matériau bidimensionnel très fin et son utilisation en nanotechnologie est relativement aisée», explique le professeur Kis, à la tête de cette étude. «Il a un réel potentiel dans la fabrication de petits transistors, de diodes électroluminescentes (LED) et de cellules solaires.»
Selon le professeur et ses collègues, la molybdénite offre plusieurs avantages par rapport au silicium, qui est beaucoup utilisé en électronique, et au graphène, matériel bidimensionnel le plus étudié et considéré comme le matériau électronique du futur.
Le silicium est un matériau tridimensionnel, et par conséquent, plus volumineux que la molybdénite qui peut être fabriquée en monocouches. «Dans une couche de MoS2 d'une épaisseur de 0,65 nanomètre, les électrons peuvent se déplacer aussi facilement que dans une couche de silicium d'une épaisseur d'un nanomètre, mais il n'est pas encore possible de fabriquer une couche de silicium aussi fin qu'une monocouche de MoS2», explique le professeur Kiss.
De plus, les transistors en molybdénite consommeraient 100 000 fois moins d'énergie en état de veille que les transistors traditionnels en silicium. En effet, allumer et éteindre un transistor nécessite un semi-conducteur à «intervalle de bande». En physique, les «bandes» correspondent à l'énergie des électrons dans un matériau. Pour les semi-conducteurs, le terme «intervalle de bande» (ou encore «largeur de bande interdite») correspond aux espaces entre les bandes dépourvues d'électrons. Si cet espace est de taille moyenne, certains électrons peuvent traverser cet espace, offrant ainsi aux chercheurs le moyen de contrôler le comportement électrique du matériau et de le déconnecter. La molybdénite a une largeur de bande interdite de 1,8 électron/volt, ce qui en fait un matériau idéal pour la connexion et la déconnexion des transistors
Cette largeur de bande interdite donne également à la molybdénite un avantage sur le graphène, qui n'a pas de largeur de bande interdite à l'état vierge. Bien qu'il soit possible d'administrer cette propriété au graphène, cela complique le processus de fabrication et peut poser d'autres problèmes.
«Nos résultats constituent un énorme pas en avant vers la réalisation de l'électronique et de circuits intégrés en puissance de veille faible basé sur des matériaux bidimensionnels. Les monocouches de MoS2 étant des semi-conducteurs transparents et fins, elles offrent également beaucoup de nouvelles possibilités dans des domaines tels que la physique mésoscopique, la récupération d'énergie, l'optoélectronique», concluent les chercheurs.
