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Ordinateur du futur : le phosphorène mieux que le graphène ?

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Voilà presque dix ans, Andre Geim et Konstantin Novoselov faisaient la découverte du graphène, un cristal bidimensionnel de carbone dont l'empilement constitue le graphite. Un groupe de chercheurs vient d'annoncer qu'un matériau similaire peut être obtenu avec du phosphore. Il pourrait, comme le graphène, remplacer le silicium dans des puces électroniques. On sait déjà s'en servir pour réaliser des transistors.

La structure 2D en nid d'abeille d'un feuillet de graphène explique en partie ses extraordinaires propriétés. Les physiciens du solide sont donc en quête d'autres matériaux pouvant exister sous une forme similaire. Ils en espèrent un nouveau bond technologique en électronique. © Jannik Meyer

Inspirés par l'exemple du graphène, plusieurs physiciens découvrent depuis quelques années des cousins de ce matériau miracle, comme le graphane et le germanane. L'enjeu n'est rien de moins que la création d'une nouvelle électronique à la pointe des nanotechnologies. Il s'agit en grande partie de prolonger la loi de Moore en créant des transistors et des puces électroniques pour des ordinateurs encore plus rapides et plus miniaturisés. Si cette nouvelle électronique voit le jour, elle devrait profondément affecter notre vie dans les décennies à venir. Il suffit d'imaginer ce qui se passerait si l'on arrivait à construire à l'échelle industrielle et à bas prix des robots bien plus performants que ceux qui existent de nos jours. Google ne s'y est pas trompé.

Le graphène possède de remarquables propriétés de conduction, et les électrons y circulent plus rapidement que dans le silicium. Toutefois, il a un inconvénient : ce n'est pas naturellement un semi-conducteur. On ne peut donc pas l'utiliser directement pour fabriquer des transistors et des circuits logiques. Bien que plusieurs laboratoires dans le monde travaillent à la résolution de ce problème, d'autres équipes explorent une solution plus radicale : se passer du graphène.

Un échantillon de phosphore noir. Ce matériau est peut-être la clé d'un nouveau bond technologique pour les ordinateurs. © Alshaer666, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

L'idée est de chercher des matériaux pouvant exister facilement sous forme de feuillets atomiques 2D avec une structure similaire au graphène, mais qui, tout en conduisant plus rapidement les électrons que le silicium, seraient aussi des semi-conducteurs. Peide Ye et ses collègues de l'université Purdue (Indiana, États-Unis) viennent précisément de découvrir un tel matériau, comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arxiv. Il s'agit du phosphore noir.

Du phosphorène à partir d'une forme allotropique du phosphore

Le phosphore noir est l'une des formes allotropiques (la faculté de certains corps simples d'exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes) du phosphore. Il s'obtient en chauffant du phosphore blanc sous haute pression. Il possède plusieurs caractéristiques faisant penser à celles du graphite : il est noir, floconneux, formé d'un empilement de feuillets et conducteur d'électricité.

Les physiciens se sont demandé s'il était possible d'obtenir à partir de ce phosphore noir des feuillets 2D isolés, comme c'est le cas avec des feuillets de graphène à partir du graphite. À l'instar de la découverte du graphène, il leur a suffi d'utiliser du ruban adhésif pour exfolier des blocs de phosphore noir. Les chercheurs n'ont pas tardé à réaliser des transistors avec ce qu'ils appellent du phosphorène.

Il est encore trop tôt pour savoir si le silicium sera détrôné par le phosphorène ou par le graphène. L'une des raisons en est qu'on ne sait pas encore si on pourra produire du phosphorène en masse et à bas coût.

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