Un nouveau mécanisme de refroidissement ultra-efficace pour les transistors de graphène

Publié par Redbran le 18/12/2017 à 12:00
Source et illustrations: CNRS-INP
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Des physiciens viennent de mettre en évidence un nouveau mécanisme de refroidissement pour les composants électroniques en graphène déposés sur du nitrure de bore. L'efficacité de ce mécanisme leur a permis d'atteindre pour la première fois des intensités électriques à la limite intrinsèque de conduction du graphène.

Du supercalculateur au smartphone, les concepteurs de matériel informatique sont confrontés à un défi majeur: évacuer toujours plus de chaleur pour éviter la dégradation voire même la destruction des composants électroniques. La physique est impitoyable: en augmentant la densité de composants sur une puce vous augmentez nécessairement la dissipation d'énergie et donc l'échauffement. Aujourd'hui, avec les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) lamellaires de la famille du graphène, cette question devient particulièrement aiguë, car les composants ne sont constitués que d'une seule couche d'atomes. Dans ce contexte, en réalisant un transistor à base de graphène déposé sur un substrat de nitrure de bore (Le nitrure de bore est un composé chimique du bore et de l'azote, de formule chimique brute BN...), des physiciens du Laboratoire Pierre Aigrain (CNRS/ENS/UPMC/Univ. Paris Diderot) ont mis à jour un nouveau mécanisme de refroidissement 10 fois plus efficace que la simple diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) de la chaleur. Ce nouveau mécanisme, qui exploite la nature bidimensionnelle des matériaux ouvre un véritable "pont thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...)" entre le graphène et le substrat. Les chercheurs ont démontré l'efficacité de ce mécanisme en faisant circuler dans le graphène des niveaux de courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) encore inexplorés, à la limite intrinsèque du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) et cela sans aucune dégradation du dispositif. Ce résultat, publié dans Nature Nanotechnology, constitue un pas important vers le développement de transistors électroniques hautefréquence à base de graphène.

Pour réaliser cette expérience, les physiciens ont tout d'abord fabriqué un transistor à base de graphène. À cet effet, ils ont déposé le graphène sur un large cristal de nitrure de bore de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur lui-même déposé sur une plaque en or servant de thermostat. Ils ont alors fait fonctionner ce transistor à des intensités électriques croissantes et mesuré à la fois la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) des électrons et celle du cristal. La température des électrons a été déduite de la mesure des fluctuations haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) du courant électrique. La température du cristal de nitrure de bore a été mesurée par spectroscopie Raman.

Leur première surprise a été d'observer que seuls les électrons s'échauffent, épargnant ainsi la structure cristalline du matériau. Les chercheurs ont ensuite observé l'allumage d'un mécanisme de refroidissement des électrons ultra-efficace au-delà d'un seuil de tension. Ils ont expliqué ce phénomène par l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction....) diélectrique de la couche de nitrure de bore. Cette anisotropie confère à cet isolant la propriété remarquable de posséder des modes mixtes lumière-vibration appelés polaritons hyperboliques qui se propagent dans l'épaisseur du matériau dans un régime interdit à la plupart des autres isolants. Ces modes "hyperboliques" ouvrent un véritable pont thermique entre le graphène et l'électrode arrière garantissant un refroidissement 10 fois plus efficace que la simple diffusion de la chaleur. L'équipe du LPA a montré que l'efficacité de ce mécanisme est décuplée lorsque le transistor entre dans le régime de Zener-Klein, obtenu sous très fort champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) dans du graphène de haute mobilité électronique. Dans ce nouveau régime, d'intérêt tout particulier pour des applications d'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les...) à haute fréquence, les électrons sont directement pompés de la bande de valence (En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons...) à la bande de conduction par effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir...). Dans ces conditions, ils se couplent de manière optimale aux modes hyperboliques, permettant à la chaleur de passer directement au substrat sans endommager le réseau du graphène.


Caractéristiques courant-tension (gauche) et température-tension (droite) d'un transistor graphène sur nitrure de bore. L'effet transistor est visible par la modulation du courant en fonction de la tension grille en régime de transport tunnel Zener-Klein (grisé). Il s'accompagne d'une chute remarquable de la température électronique liée à l'émission de polaritons hyperboliques dans le nitrure de bore.

Référence publication:
A graphene Zener–Klein transistor cooled by a hyperbolic substrate
W. Yang, S. Berthou, X. Lu, Q. Wilmart, A. Denis, M. Rosticher, T. Taniguchi, K. Watanabe, G. Fève, J.-M. Berroir, G. Zhang, C. Voisin, E. Baudin & B. Plaçais
Nature Nanotechnology (2017), doi:10.1038/s41565-017-0007-9

Contact chercheur:
Bernard Plaçais, directeur de recherche CNRS

Informations complémentaires:
Laboratoire Pierre Aigrain (LPA, CNRS/ENS/UPMC/Univ. Paris Diderot)
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