Grâce à des transistors à base de nanotubes de carbone qui, pour la première fois, surclassent les transistors classiques en silicium, des ingénieurs de l’université du Wisconsin pourraient un jour doper les performances des futurs smartphones. © ra2studio, Shutterstock

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Comment nos smartphones seront plus performants grâce aux nanotechnlogies

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Depuis le début des années 1990, les scientifiques rêvent de pouvoir exploiter les propriétés électriques exceptionnelles des nanotubes de carbone pour faire entrer l'électronique dans une ère nouvelle, avec amélioration des performances et faible consommation d'énergie. Des chercheurs américains pourraient avoir enfin trouvé un moyen pour y parvenir, grâce, encore une fois, aux nanotubes de carbone.

Pendant des décennies, le silicium a régné en maître sur l'électronique. Mais face aux impératifs du marché -- et aux limites de la physique --, les chercheurs ont appris à plancher sur de nouvelles approches. Parmi elles, les nanotubes de carbone. Et une équipe de l'université du Wisconsin à Madison (États-Unis) annonce avoir produit un transistor en nanotubes de carbone près de deux fois plus efficace qu'un transistor en silicium de caractéristiques (taille, géométrie, etc.), par ailleurs, toutes identiques. De quoi espérer augmenter la durée de vie des batteries, accélérer les communications sans fil et démultiplier les vitesses de traitement des ordinateurs ou des smartphones.

Rappelons que les transistors ont fait leur apparition sur le marché dans les années 1950. Aujourd'hui, ils sont produits par milliards de milliards et se cachent dans chacun de nos appareils électroniques. Un iPhone 6 en contiendrait ainsi quelque deux milliards. Ce simple chiffre suffit à comprendre l'importance des travaux de recherche en la matière. D'autant qu'en plus de se multiplier, les transistors doivent se faire de plus en plus petits, de moins en moins chers et de moins en moins consommateurs d'énergie.

Les nanotubes de carbone, de leur côté, présentent une structure atomique -- en forme de tubes de dimension nanométrique, comme leur nom l'indique, et d'une épaisseur d'un seul atome seulement -- qui leur confère des propriétés étonnantes. Notamment des propriétés semi-conductrices qui pourraient doper les capacités des transistors, à condition de lever quelques verrous technologiques qui empêchent pour l'heure une mise en forme efficace.

Grâce à un procédé qu’ils ont eux-mêmes développé, les ingénieurs de l’université du Wisconsin peuvent déposer sur un substrat d'environ 2,5 x 2,5 cm des nanotubes de carbone parfaitement alignés, et ce en seulement cinq minutes. C’est l’une des étapes indispensables à la production de transistors à base de nanotubes de carbone. © Stephanie Precourt, UW, Madison College of Engineering

Des nanotubes de carbone bien rangés et très propres

Aujourd'hui, pour la première fois, des ingénieurs de l'université du Wisconsin sont parvenus à créer des transistors en nanotubes de carbone qui surclassent leurs cousins en silicium. Leurs performances sont multipliées par 1,9, un ratio qui pourrait être porté à 5. Pour arriver à leurs fins, ils ont su franchir, l'un après l'autre, les obstacles qui se présentaient à eux.

Une première difficulté -- l'alignement des nanotubes -- a été dépassée en 2014 lorsque ces chercheurs ont mis au point une méthode d'autoassemblage par évaporation flottante (floating evaporative self-assembly). Pour faire un bon transistor en effet, les nanotubes de carbone doivent être alignés, dans le sens voulu et avec un espacement précis. Le procédé développé aux États-Unis est d'ores et déjà opérationnel pour des surfaces allant jusqu'à 1 x 1 pouce, soit 2,54 x 2,54 cm.

Deuxième difficulté : la présence d'impuretés. Car les propriétés semi-conductrices des nanotubes de carbone sont rapidement mises à mal par la présence d'impuretés métalliques. Une seule impureté qui se glisserait dans le transistor pourrait provoquer un court-circuit, diminuant ainsi de plusieurs ordres de grandeur l'efficacité du composant. Alors, les ingénieurs de l'université du Wisconsin ont fait appel à des polymères pour sélectionner les nanotubes de carbone de manière à réduire le taux d'impuretés à 0,01 %.

Troisième difficulté : le contact avec les électrodes. Car si les polymères permettent de « nettoyer » les nanotubes (un effet recherché), ils forment aussi autour d'eux une couche isolante (un effet non désiré), qui perturbe le contact entre les nanotubes et les électrodes du transistor. Pour éliminer cette couche isolante, les ingénieurs américains n'ont eu d'autre choix que de chauffer les nanotubes dans un four à vide. Pour un résultat presque au-dessus de leurs espérances.

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