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Le phosphore noir, nouveau matériau miracle de l’électronique ?

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Faire toujours plus petit et toujours plus rapide, c'est le challenge des fabricants de matériel électronique. Une étude menée par une équipe de chercheurs américains pourrait bien leur offrir de nouvelles opportunités grâce au phosphore noir.

Des chercheurs américains ont réalisé des circuits optiques complexes grâce au phosphore noir. © Alshaer666, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0

Dans un article publié dans le magazine Nature Photonics, des chercheurs du département de génie électrique et informatique de l'université du Minnesota, aux États-Unis, annoncent avoir observé une transmission de données à grande vitesse dans des circuits optiques à l'échelle nanométrique. Un résultat obtenu grâce à un montage à base d'un film ultra mince de phosphore noir d'une épaisseur de 20 couches atomiques seulement.

Le phosphore est un élément très réactif. On en trouve au bout des allumettes mais surtout, dans de nombreux engrais minéraux. Il peut aussi se présenter sous une structure cristalline particulièrement stable, similaire à celle du graphite. On le désigne alors sous le terme de phosphore noir. Ce n'est que récemment que les chercheurs se sont rendu compte de ses propriétés semi-conductrices.

Aujourd'hui, les utilisateurs attendent de leurs appareils électroniques qu'ils soient de plus en plus petits et rapides. Le défi majeur lancé aux chercheurs est donc de permettre aux processeurs, de plus en plus nombreux au cœur des puces électroniques, de communiquer entre eux efficacement et à grande vitesse. Pour ce faire, ils se sont orientés vers des matériaux qui permettent un haut débit basé sur la lumière. C'est dans ce cadre que l'équipe américaine de l'université du Minnesota a eu l'idée d'utiliser du phosphore noir pour concevoir un circuit optique complexe. Les propriétés optoélectroniques de ce matériau à deux dimensions laissaient en effet espérer que l'interaction avec la lumière serait ainsi maximisée. Et ce fut le cas puisque le dispositif s'est montré plus efficace que ceux mis au point précédemment à base de graphène, par exemple.

Les performances des photodétecteurs à base de phosphore noir rivalisent même avec celles de systèmes à base de germanium, considéré comme le must de la photodétection. Une aubaine car le germanium est délicat à mettre en œuvre sur des circuits optiques de silicium. Le phosphore noir, comme d'autres matériaux à deux dimensions, peut être produit séparément puis transféré sur le support sans difficulté.

Le photodétecteur haute performance mis au point à l’université du Minnesota utilise quelques couches de phosphore noir (en rouge) pour capter la lumière dans un guide d'ondes (en vert). Du graphène (en gris) est également utilisé pour optimiser les performances. © University of Minnesota, College of Science and Engineering.

Un semi-conducteur à gap direct

Ce qui rend par ailleurs le phosphore noir particulièrement intéressant, comparé notamment au graphène, ce sont ses propriétés semi-conductrices. Le phosphore noir présente en effet une bande interdite. Il ne devient donc conducteur qu'à condition que ses électrons absorbent suffisamment d'énergie (chaleur, lumière, etc.) pour sauter cette bande interdite. Dans le cas du phosphore noir, la largeur de cette bande peut être réglée de manière relativement aisée en faisant varier le nombre de couches atomiques empilées. Il peut ainsi absorber de la lumière aussi bien dans le domaine du visible que de l'infrarouge. Une propriété qui ouvre un vaste champ d'usages possibles.

Par ailleurs, le phosphore noir fait partie de la catégorie des semi-conducteurs dits à gap direct. Il est donc potentiellement capable de convertir également un signal électrique en lumière. Combinée avec les propriétés citées plus haut, celle-ci pourrait permettre d'utiliser ce matériau miracle pour produire de la lumière au cœur d'un circuit optique.

« C'est passionnant de penser qu'un unique matériau peut être utilisé pour envoyer et recevoir des données optiques sans être limité à un certain substrat ou à une longueur d'onde spécifique », raconte Nathan Youngblood, l'un des chercheurs impliqués dans l'étude. « Pour la communication à grande vitesse entre processeurs et pour l'industrie informatique, le phosphore noir a un potentiel énorme. » D'autant que, selon le chercheur, le système peut encore être optimisé.

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