Les semi-conducteurs organiques peuvent-ils combiner les avantages du graphène et du silicium ?

Le potentiel manqué du semi-conducteur du graphène

Le graphène a longtemps été considéré comme un matériau miracle, aux caractéristiques exceptionnelles cela pourrait jouer un rôle dans les semi-conducteurs de nouvelle génération. Sa perception en tant que matériau miracle est multiple en raison de ses caractéristiques physiques, car il est 200 fois plus résistant que l'acier et sa mobilité électronique est 140 fois plus rapide dans le graphène que dans le silicium.

Source: Visual Capitaliste

Au début, les chercheurs étudiant le graphène pensaient qu’il pourrait remplacer le silicium dans les semi-conducteurs. Malheureusement, il manque une fonctionnalité électronique clé appelée « bande interdite ».

Une bande interdite est ce qui détermine si un matériau sera considéré comme un métal (conducteur de l'électricité), un isolateur (bloquant l'électricité) ou un semi-conducteur (qui peut basculer entre être conducteur et isolant).

Source: Éducation énergétique

Le problème est que le graphène n’a aucune bande interdite, ce qui empêche son utilisation comme semi-conducteur.

Cependant, un autre type de matériau pourrait avoir la même mobilité électronique que le graphène mais afficher une bande interdite compatible avec les capacités des semi-conducteurs. Ce matériau est appelé polymère organique.

Construire des semi-conducteurs organiques

Ce qui rend le graphène si conducteur sont deux facteurs :

1. Il s’agit essentiellement d’un matériau 2D, formant une couche monoatomique parfaitement plate d’atomes de carbone.
2. Les électrons entre les hexagones du carbone peuvent circuler presque librement entre les structures atomiques appelées Hydrocarbures aromatiques.

Source: Britannique

Les hydrocarbures aromatiques sont en réalité très courants dans la nature, mais la couche 2D de graphène est beaucoup plus rare. Cependant, de nombreux matériaux organiques ont le potentiel d’afficher la bande interdite qui manque dans le graphène.

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) en Corée du Sud, Pr. Kimoon Kim, Pr. Ji Hoon Shim, Pr. Jun Sung Kim et le Dr Yeongsang Lee ont cherché un moyen de transformer une matière organique ordinaire en quelque chose de similaire au graphène.

Source : POSTECH

Fabriquer des polymères organiques modèle 2D

Ce qui empêche les polymères organiques de fonctionner comme le graphène est que lors de leur polymérisation, l'empilement intercouche bloque la croissance du polymère.

Les chercheurs ont découvert qu’en ajoutant des groupes chimiques bloquant la fixation des monomères (obstacle stérique), ils pouvaient supprimer l’empilement d’intermédiaires polymères bidimensionnels. Le polymère organique utilisé était le triazacoronène.

Source : POSTECH

Ils ont ensuite ajouté à la synthèse du polymère une étape appelée dopage de type p, couramment utilisé dans la production de semi-conducteurs. Il s’agit d’ajouter des éléments à un matériau semi-conducteur pour le rendre encore plus conducteur.

Source: Wikipédia par VecteurVoyager 

Le matériau résultant a été décrit par les chercheurs comme ayant une « conductivité électrique exceptionnelle ».

Le potentiel massif des semi-conducteurs organiques

Cette réalisation résout le problème des semi-conducteurs organiques ayant une mobilité électronique trop faible.

Il facilite également le contrôle des voies de conduction des électrons et des trous au niveau moléculaire, étape nécessaire à la fabrication de transistors et de puces informatiques à partir de ce matériau.

Il est également possible que le graphène soit « doté » d’une bande interdite, une autre voie explorée plus en détail dans notre article «Semi-conducteurs en graphène – Sont-ils enfin là ? ».

Le potentiel des semi-conducteurs au graphène et des semi-conducteurs organiques dotés de spécifications similaires au graphène pourrait avoir de nombreuses applications possibles.

Bien sûr, cela n’est possible que si nous continuons à utiliser l’informatique basée sur les semi-conducteurs, au lieu de la photonique, comme indiqué dans «Avancement des semi-conducteurs – Les poutres « Donut » vers les blocs « Lego » pourraient-elles bouleverser les approches de l'industrie ?" ou l'informatique quantique comme discuté dans "L'état actuel de l'informatique quantique ».

Semi-conducteurs

Alors que le silicium atteint une limite en raison de ses caractéristiques physiques, la conductivité de type graphène pourrait faire des semi-conducteurs organiques un matériau de remplacement viable pour maintenir la loi de Moore valide, car des électrons plus rapides se convertissent en un calcul plus rapide.

Cela ajoute de la matière organique aux candidats au remplacement du silicium, ainsi que du graphène amélioré et un isolant-métal (IMT) comme le dioxyde de vanadium (vous pouvez en savoir plus sur ces avancées technologiques en matière de semi-conducteurs dans "Suivre la loi de Moore grâce aux substrats actifs et au calcul neuromorphique»).

Piles et batteries

Une autre industrie qui envisage d’utiliser des matières organiques pour remplacer les métaux est celle des batteries, qui est stimulée par le boom des véhicules électriques et des énergies renouvelables.

Si les matériaux organiques peuvent afficher des propriétés similaires à celles du graphène, ils pourraient constituer une option pour les batteries au graphène, l’une des nombreuses chimies possibles pour les batteries EV, dont nous avons discuté dans «L’avenir de la mobilité – Battery Tech ».

Entreprises de semi-conducteurs

1. IBM

Pionnier historique de l'informatique, des semi-conducteurs et de la conception de puces, International Business Machines Corporation (IBM) a été présent dans la plupart des innovations de pointe dans le domaine de l'informatique et de l'industrie des semi-conducteurs.

Ceci comprend matériaux organiques conducteurs comme discuté dans cet article, mais aussi calcul neuromorphique, l'informatique quantique, photonique, etc.

Avec Intel, IBM fait partie des entreprises qui militent le plus activement en faveur de nouvelles formes de technologies informatiques, cherchant à reproduire l'informatique sans silicium et ses succès passés.

Cela place IBM dans une bonne position pour tirer parti de son énorme budget de R&D et de son réseau de partenaires de recherche pour exploiter des découvertes telles que les semi-conducteurs organiques de type graphène.

2. Société de semi-conducteurs ON

ON Semi est une entreprise de semi-conducteurs spécialisée dans l'électrification, notamment dans l'automobile, mais aussi dans d'autres secteurs comme l'énergie solaire, les batteries, l'aérospatiale, les télécommunications, les centres de données et le médical.. À ce titre, elle constitue un partenaire clé pour bon nombre des plus grandes entreprises industrielles du monde.

Source: SUR Semi

Une grande partie de l'avantage technologique d'ON Semi repose sur carbure de silicium, un type de composé silicium-carbone utilisé pour les systèmes électriques à haute énergie. Ils permettent notamment des charges de puissance très élevées nécessaires à la recharge rapide des véhicules électriques.

Le carbure de silicium est le produit chimique utilisé récemment par les chercheurs pour développer du graphène semi-conducteur, comme discuté dans notre article «Semi-conducteurs en graphène – Sont-ils enfin là ? ».

La stratégie d'ON Semi consistant à doubler ses investissements dans le carbure de silicium a permis à l'entreprise de connaître une forte augmentation de ses revenus au cours des dernières années, portée par la révolution des véhicules électriques.

L'expertise d'ON Semi dans le carbure de silicium et plus généralement les semi-conducteurs utilisant du carbone pourrait être précieuse pour industrialiser des semi-conducteurs à base de graphène ou de matériaux organiques.

Entre-temps, le besoin de batteries et de systèmes électriques toujours plus puissants et efficaces, à base de carbures de silicium, devient de plus en plus important dans la chaîne d'approvisionnement mondiale. En tant que leader du secteur, ON Semi bénéficiera probablement grandement de la tendance à l’électrification, en particulier des véhicules électriques.

Enfin, il est également possible que si les semi-conducteurs organiques ont des applications dans la technologie des batteries, la forte présence d'ON Semi dans le secteur pourrait l'aider à être l'une des premières entreprises en mesure de déployer cette technologie.