Les chercheurs américains préparent la succession des technologies silicium en explorant les possibilités offertes par l'électronique moléculaire ; les molécules organiques -graphènes et nanotubes de carbone- font l'objet d'investigations poussées.
Cet article a été préparé par Michel Colrat à partir du rapport "L'électronique moléculaire aux Etats-Unis" rédigé par Raphaël Allègre, Romaric Fayol, Roland Hérino et Daniel Ochoa, du service pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France aux Etats-Unis, que nous remercions pour leur collaboration.
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L'évolution qu'a connue la microélectronique en trente ans est sans équivalent : la taille des dispositifs a diminué de trois ordres de grandeur, la dimension des plaquettes de silicium a pratiquement décuplé et le coût moyen d'un transistor est aujourd'hui proche de 100 nanodollars. Aujourd'hui, l'électronique silicium butant sur des obstacles physiques qui semblent infranchissables, l'électronique moléculaire ouvre des perspectives, certes à long terme, que les chercheurs explorent activement. Même si à ce jour, le chemin semble encore bien long avant la production de dispositifs viables, tant sur le plan technique qu'économique, tant pour des questions de physique fondamentale que des verrous technologiques à l'industrialisation, le chemin parcouru dans la filière silicium depuis trois décennies laisse espérer qu'une nouvelle révolution technologique est possible.
La compréhension et la modélisation du transport électronique à l'échelle moléculaire, la connexion des molécules et nano-objets électroniques avec l'appareillage macroscopique environnant, la fabrication à haute cadence de ces dispositifs de tailles nanométrique, la fiabilisation des fonctionnalités de ces circuits sont autant de défis scientifiques et technologiques à relever. La possibilité d'utiliser une molécule organique unique pour assurer une fonction électronique simple constitue une véritable révolution pour le développement des circuits intégrés. En effet, la réduction drastique des dimensions des dispositifs élémentaires qui en résulte conduirait à un saut spectaculaire dans la densité d'intégration, sans pour autant poser les problèmes de dissipation énergétique qui sont parmi les plus limitant actuellement.
Des molécules organiques à la base de dispositifs électroniques
Même si plusieurs réalisations de laboratoire peuvent être très encourageantes, les problèmes majeurs posés par la manipulation de molécules uniques, leur localisation et leur adressage électrique ne sont pas encore suffisamment maîtrisés pour que l'on puisse envisager la production de dispositifs intégrés. Les outils qui permettent de manipuler les atomes et les molécules, dérivés des outils d'observation et d'analyse des surfaces avec une résolution atomique, sont utilisés pour développer des méthodes nouvelles de dépôt moléculaire qui pourraient évoluer pour permettre une fabrication en série.
Différents procédés évolués ont été développés par les équipes américaines pour réaliser des nano- jonctions électroniques moléculaires. Tous ces procédés consistent à disposer des couples d'électrodes métalliques de façon à maîtriser l'espace interélectrodes, qui mesure quelques nanomètres, pour y placer avec la plus grande précision les molécules à étudier (procédés mécaniques, procédés par électromigration, procédés hybrides, etc.). Ainsi de nombreux dispositifs électromoléculaires passifs ou actifs ont été développés et caractérisés. En ce qui concerne les dispositifs passifs on peut citer les portes logiques à base d'organométalliques, les mémoires à molécule unique, les résistors, les isolants des diodes.
Les dispositifs actifs sont essentiellement les transistors à molécule unique et les interrupteurs moléculaires. Le développement de ces dispositifs est le plus souvent guidé par l'expérience plutôt que par des modèles théoriques pour l'instant très peu développés. La structure typique d'un transistor moléculaire est celle d'une molécule unique intercalée entre deux électrodes très faiblement espacées (de 1 à 4 nm), le substrat jouant le rôle de grille. Ces configurations ont été utilisées pour étudier la physique fondamentale des dispositifs moléculaires : étude de la réponse spectroscopique de la molécule en fonction de paramètres comme la température ou le champ électromagnétique, phénomène de résonance mécanique (effet Kondo) lié à un état particulier d'oxydation d'une molécule en solution. Quelques paramètres critiques comme le mode d'obtention de ces transistors, la manière dont la molécule est assemblée à travers la jonction, la présence de liaisons covalentes ou non covalentes avec les électrodes et, enfin, le type de matériau choisi pour les électrodes sont déterminants, pouvant révéler ou masquer les propriétés moléculaires étudiées.
L'intérêt que l'on porte au graphène comme matériau pour l'électronique est très récent, mais il suscite beaucoup d'espoirs à l'origine du développement rapide des activités de recherche qui lui sont consacrées. La structure bidimensionnelle d'un feuillet de graphène est connue depuis très longtemps puisque l'un des matériaux naturels parmi les plus répandus, le graphite, est constitué par l'empilement non compact de tels feuillets. Toutefois, pour étudier le graphène en tant que tel, il faut être capable d'isoler un très petit nombre de feuillets, voire idéalement un seul, ce qui est très difficile expérimentalement, et c'est sans aucun doute cette difficulté qui a freiné le développement de mesures physiques de ses propriétés. Les progrès récents accomplis dans la préparation d'échantillons de graphène ont permis de mettre en évidence des propriétés remarquables, comme un effet Hall quantique anormal ou le transport balistique des électrons à température ambiante, qui ont renforcé l'intérêt des théoriciens pour ce type de structure carbonée.
Les promesses du graphène
Le graphène est le premier véritable exemple de cristal bidimensionnel qui doit ses propriétés électroniques exceptionnelles à des porteurs de charge extrêmement mobiles, des particules relativistes de masse effective nulle et qui se propagent avec une vitesse seulement 300 fois plus faible que celle de la lumière. Un autre intérêt suscité par ce matériau réside dans les possibilités d'ajustement des propriétés semi-conductrices par des systèmes bicouche, ou épitaxiés sur des substrats cristallins comme le carbure de silicium (SiC). Il faut aussi mentionner l'excellente stabilité chimique de ce type de structures carbonée. Enfin c'est en terme de mise en oeuvre que le graphène se distingue des autres approches d'électronique moléculaire, car les technologies "top-down" employées dans la filière silicium - de type lithographie électronique, gravure sèche - sont applicables à ce matériau. Cependant, même si quelques dispositifs ont pu être fabriqués et testés, il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant de savoir si le graphène peut vraiment se substituer au silicium comme matériau pour l'électronique, la première barrière à franchir étant de parvenir à contrôler l'élaboration d'échantillons de grande taille. Les industriels de la microélectronique suivent de près les progrès des recherches, comme INTEL par exemple, et participent au soutien de certaines équipes universitaires.
Mais les nano-objets les plus étudiés actuellement sont certainement les nanotubes de carbone, tant leurs propriétés intrinsèques sont intéressantes, aussi bien du point de vue fondamental que de celui des applications. Du point de vue électrique, ils adoptent selon leur structure un comportement soit métallique, soit semi-conducteur, et de nombreux travaux de recherche visent à exploiter ces propriétés pour réaliser des dispositifs électroniques de dimensions nanométriques. La mobilité des porteurs de charges dans les nanotubes est encore dix fois plus élevée que dans les graphènes, ce qui permet d'envisager l'utilisation des nanotubes dans des applications mettant en jeu des courants extrêmement élevés de l'ordre de 100 A/cm2.
Bravant les nombreux obstacles technologiques rencontrés, les premières tentatives d'élaboration de composants électroniques se sont orientées vers l'utilisation d'un seul nanotube comme partie active du dispositif. L'objectif est de pouvoir remplacer le transistor traditionnel en silicium par un dispositif qui s'appuie sur un seul nanotube et qui conduirait à une amélioration des performances tout en permettant d'augmenter fortement la densité d'intégration d'un circuit. Après les premiers transistors à effet de champ utilisant des nanotubes à simple paroi réalisés en 1998, plusieurs équipes au sein d'universités et d'entreprises s'intéressent actuellement à ces dispositifs ; les groupes de Phaedon Avouris (IBM) et de Hongjie Dai (université Stanford) sont les leaders dans ce domaine.
Les nanotubes de carbone
Une difficulté majeure est le positionnement d'un seul nanotube par jeu d'électrodes métalliques qui permettront de le polariser. Dans les premiers travaux publiés, les chercheurs ont déposé les nanotubes sur un substrat, puis constitué des électrodes métalliques par lithographie à faisceau d'électrons. L'étape ultérieure a consisté à déposer statistiquement des nanotubes sur des réseaux d'électrodes préparés à l'avance (université de Pennsylvanie) ; avec un taux de réussite de 50% des électrodes connectées à un unique nanotube. Une autre méthode consiste à imprimer la surface du substrat avec des molécules qui favorisent, ou empêchent sélectivement l'accrochage de nanotubes. Enfin d'autres groupes font croître les nanotubes par dépôt en phase vapeur (CVD) directement sur le substrat, et il faut alors déposer les contacts sur les nanotubes après les avoir localisés par AFM ou par microscopie électronique à effet de champ. Toutefois, en raison de la difficulté d'isoler et de positionner un nanotube unique, beaucoup d'équipes se sont intéressées à l'utilisation de plusieurs nanotubes dont l'orientation est contrôlée. A ce jour, les chercheurs ont pu ainsi réaliser des diodes, transistors, cellules mémoire, portes logiques à base de nanotubes avec des performances bien supérieures à celles réalisées par les composants actuels.
L'équipe de John Rogers, à Urbana-Champaign (Illinois), a développé une approche qui utilise des réseaux de nanotubes auto-alignés fabriqués sur un substrat isolant. L'utilisation de nanotubes alignés est également envisageable pour fabriquer des transistors sur des substrats flexibles comme l'a démontré une équipe de l'université de Californie du Sud en réalisant de tels transistors sur films plastiques. Les films minces de nanotubes de carbone déposés aléatoirement, peuvent être une alternative plus simple à réaliser et être utilisés comme couche semi-conductrice ou comme électrode conductrice.
Bien d'autres applications en électronique en développement dans les laboratoires exploitent les propriétés des nanotubes : contacts électriques, matériaux d'électrodes transparentes, systèmes NEMS (Nano Electro Mechanical Systems). Avec les autres dispositifs d'électronique moléculaire, ces réalisations prototypes tiennent, pour l'instant encore, de la curiosité de laboratoire. Mais les avancées récentes des laboratoires engagés dans ces voies peuvent nous convaincre du rôle majeur que jouera un jour l'électronique moléculaire.
