Dans le domaine des semi-conducteurs, le silicium domine depuis longtemps la fabrication de produits tels que smartphones, ordinateurs et véhicules électriques. Cependant, une équipe de recherche de l’Université d’État de Pennsylvanie a récemment réalisé une percée en utilisant des matériaux bidimensionnels – d’une épaisseur atomique tout en conservant d’excellentes propriétés électroniques – pour développer le premier ordinateur 2D capable d’effectuer des calculs simples. Publiée dans la revue Nature, cette avancée marque un progrès important vers des dispositifs électroniques plus minces et plus efficaces.

L’invention de l’ordinateur 2D

Alors que la technologie CMOS traditionnelle repose sur le silicium, l’équipe a utilisé deux matériaux 2D – le disulfure de molybdène (transistors de type n) et le diséléniure de tungstène (transistors de type p) – pour construire un ordinateur CMOS complet. Les matériaux 2D maintiennent des performances exceptionnelles à l’échelle atomique, évitant les problèmes de dégradation des performances du silicium lors de la miniaturisation.

Via le procédé MOCVD (dépôt chimique en phase vapeur organométallique), l’équipe a fabriqué plus de 1000 transistors. En ajustant précisément le processus de fabrication, ils ont optimisé la tension de seuil des transistors, permettant à l’ordinateur de fonctionner à basse tension avec une consommation énergétique extrêmement faible et une fréquence maximale de 25 kHz. Bien que les performances restent inférieures aux puces en silicium, cette recherche prouve la faisabilité des matériaux 2D en calcul. Des modèles informatiques comparant cette technologie au silicium avancé montrent un important potentiel d’optimisation.

Bien que la recherche sur les matériaux 2D ait commencé plus tard (vers 2010), son développement est rapide. Comparé aux 80 ans d’évolution de la technologie du silicium, cette percée pourrait inaugurer une nouvelle ère de dispositifs électroniques plus minces et efficaces.

Découvrez les matériaux clés

Qu’est-ce que le disulfure de molybdène ?

Principal composant de la molybdénite, de formule MoS₂, il présente un éclat métallique. C’est un lubrifiant solide important, particulièrement adapté aux hautes températures/pressions. Doté de propriétés antimagnétiques, il peut servir de photoconducteur linéaire et de semi-conducteur (type p ou n), utile pour la rectification et la conversion d’énergie. C’est aussi un catalyseur pour la déshydrogénation d’hydrocarbures complexes.

Contrairement au graphène (autre matériau 2D), le MoS₂ possède un gap énergétique de 1,8 eV (absent dans le graphène), le rendant prometteur pour les nano-transistors. Les transistors monocouche MoS₂ atteignent une mobilité électronique de 500 cm²/(V·s) et un rapport courant on/off de 1×10⁸.

Qu’est-ce que le diséléniure de tungstène ?

Comme le MoS₂ et le WS₂, le WSe₂ est un matériau lamellaire de basse dimension avec un faible coefficient de friction. Sa structure hexagonale similaire au MoS₂ présente des atomes de tungstène liés à six atomes de sélénium en configuration prismatique triangulaire. La distance W-Se est de 2,526 Å et Se-Se de 3,34 Å, les couches étant liées par forces de van der Waals.

Avec un gap de 1,35 eV, d’excellentes propriétés optiques et une stabilité physico-chimique, le WSe₂ est idéal pour dispositifs photovoltaïques et LED ultra-minces.

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