Un pas positif vers des capacités négatives... vers des transistors moins énergivores

Une collaboration internationale impliquant des chercheurs de l’Université de Genève ainsi que des collègues anglais, français, espagnols et luxembourgeois a démontré que le fait de déstabiliser la polarisation spontanée d’une classe de matériaux appelés ferroélectriques conduit à un phénomène de capacité négative. Cette recherche publiée dans la revue Nature pourrait prochainement ouvrir la voie vers des transistors consommant moins d’énergie.

Les ferroélectriques sont une classe de matériaux technologiquement très importants déjà largement utilisés dans des applications, comme les senseurs piézoélectriques, les capteurs thermiques ou dans de nombreux dispositifs employés en optique non-linéaire et dans l’électronique. Les ferroélectriques ont une polarisation électrique spontanée qui peut être retournée par un champ électrique. Cette polarisation ré-orientable peut par exemple être utilisée pour encoder les 0 et 1 de notre logique binaire – ce qui permet à ces matériaux d’être exploités pour des applications dans le domaine des mémoires non-volatiles. Toutefois, lorsqu’un ferroélectrique est préparé sous la forme d’une couche très mince, sa polarisation devient instable. C’est une mauvaise nouvelle pour les mémoires, mais cette instabilité offre des perspectives très intéressantes pour d’autres applications.

L’équipe de chercheurs a exploité la compatibilité structurale entre deux oxydes afin de créer un cristal composé de couches alternées des deux matériaux – un super-réseau. Un des matériaux est ferroélectrique tandis que le deuxième est un simple isolant diélectrique. Lorsque les couches sont très fines, la polarisation ferroélectrique est déstabilisée et de petits domaines périodiques se forment avec une polarisation pointant « en haut » et « en bas ». Cette structure est extrêmement polarisable, le ferroélectrique ayant une énergie inférieure si les conditions lui permettent de former un seul domaine. Grâce à des expériences et calculs théoriques, les scientifiques ont démontré que dans la structure artificielle qui se comporte comme des condensateurs en série, la capacité du ferroélectrique est négative. Bien qu’un condensateur avec une capacité négative ne puisse pas exister car il violerait les lois de la thermodynamique, une capacité négative peut être stabilisée dans la structure artificielle qui, elle, a une capacité globale positive.

Les travaux sur des capacités négatives génèrent aujourd’hui beaucoup d’intérêt. En effet, l’insertion d’un tel matériau entre deux isolants permet d’augmenter la charge électrique stockée par unité de tension appliquée aux bornes du condensateur. La densité de transistors - la brique de base de notre électronique – double tous les 18 mois (la fameuse loi de Moore). Pour arriver à ces densités, l’épaisseur de l’isolant est aujourd’hui de quelques atomes seulement et conduit à des courants de fuite qui dissipent beaucoup d’énergie – c’est l’origine de la consommation élevée de nos ordinateurs qui pose un problème majeur aujourd’hui. L’insertion de matériaux à capacité négative permettrait d’augmenter l’épaisseur de l’isolant et donc de diminuer les fuites sans pour autant diminuer la charge stockée, pour une tension donnée. Cette recherche met en lumière une nouvelle approche et ouvre la voie à de futurs développements qui pourraient être extrêmement importants pour les générations de processeurs à venir.

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