En 2021, une équipe de physiciens du MIT a annoncé la création d’un nouveau matériau ferroélectrique ultra-mince, capable de séparer les charges positives et négatives en différentes couches. À l’époque, ils avaient souligné le potentiel de ce matériau pour des applications dans la mémoire informatique et d’autres domaines. Aujourd’hui, cette même équipe et ses collaborateurs – dont deux du laboratoire voisin – ont développé un transistor utilisant ce matériau, démontrant des propriétés si prometteuses qu’elles pourraient révolutionner le monde de l’électronique.
Bien que les résultats soient basés sur un seul transistor en laboratoire, « à bien des égards, ses propriétés respectent ou dépassent déjà les normes industrielles » pour les transistors ferroélectriques actuels, explique Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil et Ida Green, qui a dirigé les travaux avec le professeur de physique Raymond Ashoori. Tous deux sont également affiliés au Laboratoire de Recherche sur les Matériaux.
« Dans mon laboratoire, nous faisons principalement de la physique fondamentale. C’est l’un des premiers exemples, et peut-être le plus spectaculaire, de la manière dont la science fondamentale a conduit à quelque chose qui pourrait avoir un impact majeur sur les applications », déclare Jarillo-Herrero.
Ashoori ajoute : « Quand je pense à l’ensemble de ma carrière en physique, je pense que c’est le travail qui, dans 10 à 20 ans, pourrait changer le monde. »
Parmi les propriétés remarquables du nouveau transistor :
- Il peut basculer entre les charges positives et négatives – représentant les uns et les zéros des informations numériques – à des vitesses très élevées, sur des échelles de temps nanosecondes. (Une nanoseconde équivaut à un milliardième de seconde.)
- Il est extrêmement durable. Après 100 milliards de commutations, il fonctionnait toujours sans aucun signe de dégradation.
- Le matériau utilisé n’a qu’un milliardième de mètre d’épaisseur, l’un des plus fins de ce type au monde. Cela pourrait permettre un stockage de mémoire informatique beaucoup plus dense et des transistors beaucoup plus économes en énergie, car la tension requise pour la commutation varie en fonction de l’épaisseur du matériau. (Ultrafin équivaut à des tensions ultra-faibles.)
Les résultats de ces travaux sont publiés dans un numéro récent de Science. Les co-premiers auteurs de l’article sont Kenji Yasuda, maintenant professeur adjoint à l’Université Cornell, et Evan Zalys-Geller, actuellement chez Atom Computing. Les autres auteurs incluent Xirui Wang, étudiant diplômé en physique au MIT ; Daniel Bennett et Efthimios Kaxiras de l’Université Harvard ; Suraj S. Cheema, professeur adjoint au département de génie électrique et d’informatique du MIT et affilié au laboratoire de recherche en électronique ; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.
Qu’ont-ils fait
Dans un matériau ferroélectrique, les charges positives et négatives se dirigent spontanément vers des côtés ou pôles différents. Lors de l’application d’un champ électrique externe, ces charges changent de côté, inversant la polarisation. La commutation de polarisation peut être utilisée pour coder des informations numériques, et ces informations seront non volatiles ou stables dans le temps. Cela ne changera que si un champ électrique est appliqué. Pour qu’un ferroélectrique ait de larges applications en électronique, tout cela doit se produire à température ambiante.
Le nouveau matériau ferroélectrique rapporté dans Science en 2021 est basé sur des feuilles atomiquement minces de nitrure de bore empilées parallèlement les unes aux autres, une configuration qui n’existe pas dans la nature. Dans le nitrure de bore en vrac, les couches individuelles de nitrure de bore sont pivotées de 180 degrés.
Il s’avère que lorsqu’un champ électrique est appliqué à cette configuration empilée parallèlement, une couche du nouveau matériau de nitrure de bore glisse sur l’autre, modifiant légèrement la position des atomes de bore et d’azote. Par exemple, imaginez que chacune de vos mains soit composée d’une seule couche de cellules. Le nouveau phénomène revient à serrer les mains l’une contre l’autre puis à les déplacer légèrement l’une au-dessus de l’autre.
« Le miracle est donc qu’en faisant glisser les deux couches de quelques angströms, on obtient une électronique radicalement différente », explique Ashoori. Le diamètre d’un atome est d’environ 1 angström.
Autre miracle : « rien ne s’use dans la glisse », poursuit Ashoori. C’est pourquoi le nouveau transistor pourrait être commuté 100 milliards de fois sans se dégrader. Comparez cela à la mémoire d’une clé USB fabriquée avec des matériaux conventionnels. « Chaque fois que vous écrivez et effacez une mémoire flash, vous obtenez une certaine dégradation », explique Ashoori. « Au fil du temps, elle s’use, ce qui signifie que vous devez utiliser des méthodes très sophistiquées pour répartir l’endroit où vous lisez et écrivez sur la puce. » Le nouveau matériel pourrait rendre ces étapes obsolètes.
Un effort collaboratif
Yasuda, le co-premier auteur de l’actuel article de Science, applaudit les collaborations impliquées dans le travail. Parmi elles, « nous [l’équipe de Jarillo-Herrero] avons fabriqué le matériel et, avec Ray [Ashoori] et [co-premier auteur] Evan [Zalys-Geller], nous avons mesuré ses caractéristiques en détail. C’était très excitant. Ashoori déclare : « De nombreuses techniques utilisées dans mon laboratoire s’appliquaient naturellement aux travaux en cours dans le laboratoire voisin. Cela a été très amusant.
Ashoori note qu ‘«il y a beaucoup de physiques intéressantes derrière cela» qui pourraient être explorées. Par exemple, « si vous pensez aux deux couches qui glissent l’une sur l’autre, où commence ce glissement ? » De plus, dit Yasuda, la ferroélectricité pourrait-elle être déclenchée avec autre chose que l’électricité, comme une impulsion optique ? Et y a-t-il une limite fondamentale au nombre de commutations que le matériau peut effectuer ?
Des défis demeurent. Par exemple, la manière actuelle de produire les nouveaux produits ferroélectriques est difficile et peu propice à une fabrication de masse. « Nous avons fabriqué un seul transistor à titre de démonstration. Si les gens pouvaient cultiver ces matériaux à l’échelle d’une tranche, nous pourrions en créer beaucoup plus », déclare Yasuda. Il note que différents groupes travaillent déjà dans ce sens.
Ashoori conclut : « Il y a quelques problèmes. Mais si vous les résolvez, ce matériau s’intègre à bien des égards dans l’électronique potentielle du futur. C’est très excitant. »
Ce travail a été soutenu par le Bureau de recherche de l’armée américaine, le Fonds de recherche sur les semi-conducteurs Samsung du MIT/Microsystems Technology Laboratories, la National Science Foundation des États-Unis, la Fondation Gordon et Betty Moore, la Fondation Ramon Areces, le programme Basic Energy Sciences du Département américain de l’énergie, la Société japonaise pour la promotion de la science et le ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie (MEXT) du Japon.