Electronique : le germanane sera-t-il le concurrent du graphène ? Par Laurent Sacco

Electronique : le germanane sera-t-il le concurrent du graphène ?

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La structure en nid d'abeille d'un feuillet de graphane. Les feuillets de germanane sont similaires : seuls les atomes de carbone (en noir) sont remplacés par des atomes de germanium.

Le graphène est souvent présenté comme le matériau miracle de l'électronique du futur, assurant la pérennité de la loi de Moore. Mais les semi-conducteurs classiques n'ont pas dit leur dernier mot, comme le prouve un travail récent sur le germanane.

Le transistor a été inventé le 23 décembre 1947 par John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain. Il s’agissait
d’obtenir un composant électronique plus petit et plus pratique que les tubes à vide qui demandaient une dizaine de secondes de chauffage, généraient une consommation importante et nécessitaient une source de tension élevée (plusieurs centaines de volts). Ce fut un succès, et les trois chercheurs des Bell Labs reçurent le prix Nobel de physique en 1956 pour cette découverte.

Les premiers transistors (de l’anglais transfer resistor, résistance de transfert) étaient basés sur le germanium. Mais rapidement, ce fut le silicium qui remplaça ce semi-conducteur. De nos jours, on mise beaucoup sur le graphène pour l’obtention d’une nouvelle génération de composants électroniques plus petits et plus rapides encore. L’Union européenne l’a bien compris en finançant des projets de recherche sur ce matériau miracle qu’est le graphène. Malheureusement, on est encore loin d’une utilisation commerciale de dispositifs électroniques avec celui-ci, car il y a de nombreux obstacles.

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Des feuillets de germanane observés au microscope. L'image est en fausses couleurs.

Des transistors du futur en graphène ou en germanane ?

De plus, des chercheurs de l’université d’État de l’Ohio viennent de publier dans ACS Nano un article qui montre que le graphène pourrait bien, par un étonnant retour des choses, être concurrencé par le germanium. Probablement inspirés par des cousins du graphène, à savoir le graphane ou le fluorographène, les chimistes ont annoncé qu’ils étaient parvenus à créer en quantité
suffisante ce que l’on appelle du germanane, un matériau basé (comme son nom l’indique) sur du germanium. En pouvant cette fois-ci mesurer correctement ses propriétés électriques, ce matériau s’est révélé prometteur, à l’instar des premiers transistors.

Joshua Goldberger, professeur adjoint de chimie à l’université d’État de l’Ohio, a commenté son travail et celui de ses collègues en ces termes :« La plupart des gens pensent que le graphène est le matériau électronique de l'avenir. Mais le silicium et le germanium sont toujours les matériaux du présent. Ils ont bénéficié de 60 ans de recherches consacrées à l'élaboration de techniques pour fabriquer des puces avec eux. Donc, nous avons recherché de nouveaux matériaux à base de silicium et de germanium avec des propriétés avantageuses, mais que l’on peut obtenir à moindre coût que le graphène et en utilisant la technologie existante ».

Du germanane dans des cellules photovoltaïques ?

Cela s’est avéré payant, puisque les feuillets de germanane conduisent les électrons 10 fois plus vite que dans le silicium et 5 fois plus vite que dans le germanium. De plus, il a le potentiel de permettre des cellules photovoltaïques 100 fois plus minces.

Pour l’obtenir, les chercheurs ont d’abord créé un sandwich de couches monoatomiques de germanium avec des atomes de calcium entre les couches. Avec du germanium pur, les tentatives de clivage pour obtenir l’équivalent des feuillets de graphène à partir du graphite se seraient soldées par des échecs, car les feuillets isolés auraient été très instables. Le sandwich a ensuite été plongé dans de l’eau pour éliminer les atomes de calcium et permettre qu’ils soient remplacés par des atomes d’hydrogène.

Le germanane obtenu est encore plus stable chimiquement que le silicium traditionnel. Il ne s'oxyde pas à l'air et à l'eau. Cela rend le germanane facile à travailler avec des techniques classiques de fabrication de puces.


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