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Bientôt des puces avec du graphène pour l'optronique

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Les ordinateurs du futur utiliseront peut-être bientôt des puces à base de graphène et fonctionnant selon les principes de l'optronique, si l'on en croit des travaux de chercheurs du MIT, de la Columbia University et du IBM's Thomas J. Watson Research Center. En combinant les propriétés de la lumière et de l'électronique, ces puces seront moins gourmandes en énergie et dissiperont moins de chaleur, car ce seront des photons qui transporteront des données dans et entre les puces.

Pour augmenter le rendement des photodétecteurs utilisant un feuillet de graphène, des chercheurs ont étudié ce dispositif. La lumière (les pics rouges) arrive sur le détecteur à travers un guide d’onde en silicium gravé à la surface d'une puce. Une couche de graphène (avec sa structure en nid d'abeilles caractéristique) est déposée sur le guide d'onde. De chaque côté se trouve une électrode en or. Mais le placement des électrodes est asymétrique : cette stratégie devrait permettre le développement de puces pour des ordinateurs fonctionnant selon les principes de l'optronique. © MIT, Columbia University, IBM’s Thomas J. Watson Research Center

L'idée d'utiliser de la lumière au lieu de l'électricité pour réaliser des ordinateurs rapides ne date pas d'hier. Elle a fait naître beaucoup d'espoirs qui ont été déçus. Mais comme le prouve une récente publication dans Nature Photonics, les propriétés miracles du graphène sont peut-être sur le point de changer la donne.

On cherche depuis longtemps à réaliser des photodétecteurs à base de graphène pour convertir des signaux optiques en signaux électriques. En effet, des dispositifs en optronique construits à base de graphène seront probablement plus faciles à concevoir, et plus simples et moins coûteux à réaliser qu'avec d'autres matériaux comme le germanium. Comme les électrons se déplacent très vite dans le graphène, on peut espérer réaliser des détecteurs et des modulateurs très rapides. Enfin, le graphène permettrait de faire fonctionner ces dispositifs d'optronique avec une gamme de fréquences plus large.

Le problème du rendement des photodétecteurs en graphène

Malheureusement, jusqu'à présent, le rendement du graphène en ce qui concerne la conversion des photons en électrons dans un courant électrique était seulement de 2 %. Ce qui était très insuffisant. On pouvait pallier ce problème de la même façon qu'avec des dispositifs similaires à base de semi-conducteurs en soumettant un feuillet de graphène à une différence de potentiel. En effet, sans celle-ci, plusieurs des électrons rendus libres dans ces matériaux par la lumière sont en fait recapturés, ce qui explique le faible taux de conversion. Or, l'application de cette différence de potentiel induit des perturbations dans les photodétecteurs qui les rendent peu précis pour les applications auxquelles on les destine.

Alan Turing, à qui l'on doit notamment le test et la machine qui portent son nom, est l'un des pères de l'informatique. Depuis, de grands progrès ont été effectués en direction d'une électronique plus performante pour réaliser des ordinateurs dont la puissance de calcul finira par atteindre celle, supposée, du cerveau humain. © Daniel Rogers

Des électrodes en or pour des photodétecteurs avec du graphène

Les chercheurs viennent de trouver une solution à ce problème. Ils ont construit un dispositif dans lequel la lumière arrive sur le détecteur à travers un guide d'onde en silicium, gravé dans la surface d'une puce. Une couche de graphène est déposée au-dessus, perpendiculairement au guide d'onde. De chaque côté de la couche de graphène se trouve une électrode en or. Mais le placement des électrodes est asymétrique. L'une est plus proche du guide d'onde que l'autre. Rappelons que les électrons dans un métal, et aussi dans le graphène, sont un peu comme un gaz d'électrons libres dans un puits de potentiel.

Finalement, dans cette configuration, tout se passe comme s'il y avait une différence de potentiel appliquée au graphène, mais qui perturbe moins le signal lorsque l'ensemble du dispositif fonctionne comme un photodétecteur. Cependant, il reste encore du chemin à faire pour vraiment concurrencer les dispositifs en germanium, mais les chercheurs sont confiants.

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