Les transistors, les éléments constitutifs de l'électronique moderne, sont généralement en silicium. Parce que c'est un semi-conducteur, ce matériau peut contrôler l'écoulement de l'électricité dans un circuit. Mais le silicium a des limites physiques fondamentales qui restreignent à quel point un transistor peut être compact et économe en énergie.
Les chercheurs du MIT ont maintenant remplacé le silicium par un semi-conducteur magnétique, créant un transistor magnétique qui pourrait permettre des circuits plus petits, plus rapides et plus économes en énergie. Le magnétisme du matériau influence fortement son comportement électronique, conduisant à un contrôle plus efficace de l'écoulement de l'électricité.
L'équipe a utilisé un nouveau matériau magnétique et un processus d'optimisation qui réduit les défauts du matériau, ce qui stimule les performances du transistor.
Les propriétés magnétiques uniques du matériau permettent également des transistors avec mémoire intégrée, ce qui simplifierait la conception de circuits et déverrouiller les nouvelles applications pour l'électronique haute performance.
« Les gens connaissent les aimants depuis des milliers d'années, mais il existe des moyens très limités d'incorporer le magnétisme dans l'électronique. Nous avons montré une nouvelle façon d'utiliser efficacement le magnétisme qui ouvre de nombreuses possibilités pour les futures applications et la recherche », a déclaré Chung-Tao Chou, un étudiant diplômé du MIT dans les départements de l'entrot électrique et de l'informatique (ECS) et de la physique, et une autorité de coopération sur le jeu sur cette avance.
Chou est rejoint sur le journal par l'auteur co-dirigé Eugene Park, un étudiant diplômé du Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux (DMSE); Julian Klein, chercheur DMSE; Josep Ingla-Aynes, un postdoc au MIT Plasma Science and Fusion Center; Jagadeesh S. Moodera, chercheur principal au Département de physique; et les auteurs principaux Frances Ross, professeur TDK à DMSE; et Luqiao Liu, professeur agrégé des EECS, et membre du Laboratoire de recherche en électronique; ainsi que d'autres à l'Université de chimie et de technologie de Prague.
Leur article est publié dans Lettres d'examen physique.
Surmonter les limites
Dans un appareil électronique, les transistors semi-conducteurs en silicium agissent comme de minuscules interrupteurs d'éclairage qui allument et désactivent un circuit, ou amplifier les signaux faibles dans un système de communication. Ils le font en utilisant une petite tension d'entrée.
Mais une limite physique fondamentale des semi-conducteurs de silicium empêche un transistor de fonctionner en dessous d'une certaine tension, ce qui entrave son efficacité énergétique.
Pour faire de l'électronique plus efficace, les chercheurs ont passé des décennies à travailler vers des transistors magnétiques qui utilisent la rotation des électrons pour contrôler le débit d'électricité. L'électron spin est une propriété fondamentale qui permet aux électrons de se comporter comme de minuscules aimants.
Jusqu'à présent, les scientifiques se sont principalement limités à l'utilisation de certains matériaux magnétiques. Ceux-ci n'ont pas les propriétés électroniques favorables des semi-conducteurs, contraignant les performances du dispositif.
« Dans ce travail, nous combinons le magnétisme et la physique des semi-conducteurs pour réaliser des dispositifs spintroniques utiles », explique Liu.
Les chercheurs remplacent le silicium dans la couche de surface d'un transistor par du bromure de soufre de chrome, un matériau bidimensionnel qui agit comme un semi-conducteur magnétique.
En raison de la structure du matériau, les chercheurs peuvent basculer entre deux états magnétiques très proprement. Cela le rend idéal pour une utilisation dans un transistor qui bascule en douceur entre «sur» et «off».
« L'un des plus grands défis que nous avons rencontrés a été de trouver le bon matériel. Nous avons essayé de nombreux autres matériaux qui ne fonctionnaient pas », explique Chou.
Ils ont découvert que la modification de ces états magnétiques modifie les propriétés électroniques du matériau, permettant un fonctionnement à basse énergie. Et contrairement à de nombreux autres matériaux 2D, le bromure de soufre de chrome reste stable dans l'air.
Pour faire un transistor, les chercheurs se moquent des électrodes sur un substrat de silicium, puis alignent et transfèrent soigneusement le matériau 2D sur le dessus. Ils utilisent du ruban adhésif pour ramasser un petit morceau de matériau, seulement quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur et le placer sur le substrat.
« Beaucoup de chercheurs utiliseront des solvants ou de la colle pour faire le transfert, mais les transistors nécessitent une surface très propre. Nous éliminons tous ces risques en simplifiant cette étape », explique Chou.
Tirer parti du magnétisme
Ce manque de contamination permet à leur appareil de surpasser les transistors magnétiques existants. La plupart des autres ne peuvent créer qu'un effet magnétique faible, modifiant le flux de courant de quelques pour cent ou moins. Leur nouveau transistor peut changer ou amplifier le courant électrique d'un facteur de 10.
Ils utilisent un champ magnétique externe pour modifier l'état magnétique du matériau, en changeant le transistor en utilisant beaucoup moins d'énergie que ce qui serait généralement nécessaire.
Le matériau leur permet également de contrôler les états magnétiques avec un courant électrique. Ceci est important car les ingénieurs ne peuvent pas appliquer des champs magnétiques aux transistors individuels dans un appareil électronique. Ils doivent contrôler chacun électriquement.
Les propriétés magnétiques du matériau peuvent également permettre des transistors avec une mémoire intégrée, simplifiant la conception de circuits logiques ou mémoire.
Un dispositif de mémoire typique a une cellule magnétique pour stocker des informations et un transistor pour le lire. Leur méthode peut se combiner à la fois en un seul transistor magnétique.
« Maintenant, non seulement les transistors s'allument et désactivés, mais ils se souviennent également des informations. Et parce que nous pouvons changer le transistor avec une plus grande ampleur, le signal est beaucoup plus fort, afin que nous puissions lire les informations plus rapidement, et d'une manière beaucoup plus fiable », dit Liu.
S'appuyant sur cette démonstration, les chercheurs prévoient d'étudier davantage l'utilisation du courant électrique pour contrôler l'appareil. Ils travaillent également pour rendre leur méthode évolutive afin qu'ils puissent fabriquer des tableaux de transistors.
