En électronique, les excitantes promesses des excitons
Pour la première fois, des chercheurs de l’EPFL sont parvenus à faire fonctionner un transistor basé sur une particule peu connue, l’exciton, à température ambiante. L’enjeu est de créer des systèmes électroniques aux propriétés innovantes
Connaissez-vous les «excitons»? Rares sont les initiés à cet étonnant secret de la matière, hors du cercle des physiciens. Mais les choses pourraient changer avec la prouesse technologique réalisée par une équipe de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), publiée dans la revue Nature le 25 juillet. Pour la première fois, les chercheurs sont parvenus à faire fonctionner, à température ambiante, un transistor à base d’excitons. L’occasion rêvée de découvrir ces drôles de zèbres.
Epaisseur nanométrique
Car un exciton est un couple étrange: il associe un électron à un «trou» d’électron. C’est donc une «quasi-particule», entité conçue pour décrire certains comportements de la matière. Explications: prenez un «semi-conducteur», c’est-à-dire un matériau solide, aux atomes très régulièrement assemblés, capable de conduire le courant électrique avec une efficacité intermédiaire entre celle des métaux (excellents conducteurs) et celle des isolants.
Bombardez maintenant ce semi-conducteur avec des grains de lumière, ou photons. Que se passe-t-il? Certains électrons absorbent un de ces photons. Excités, ils bondissent hors de leur niveau d’énergie initial pour passer à un niveau supérieur. Ce faisant, ils créent un vide dans leur niveau initial: c’est le «trou d’électron». Mais cet électron, chargé négativement, reste lié à son «trou», chargé positivement, par des forces électrostatiques. C’est ce duo qui forme l’exciton – un concept forgé dès 1931 par le physicien soviétique Yakov Frenkel.
«Cet électron et ce trou peuvent circuler ensemble dans un semi-conducteur», relève Andras Kis, dernier auteur de l’article dans Nature, qui dirige le Laboratoire d’électronique et structures à l’échelle nanométrique de l’EPFL. Ensuite, l’électron de cette paire retombe dans son «trou»: il émet un photon – et l’exciton cesse d’exister.
«La plupart des transistors actuels fonctionnent avec des électrons ou des trous», explique Stéphane Berciaud, de l’Institut de physique et chimie des matériaux (CNRS) à l’Université de Strasbourg, en France. Mais, depuis 8 ans, un graal excite les chercheurs: développer de nouvelles générations de transistors à base d’excitons.
A cette fin, «on s’est orientés vers des feuillets de semi-conducteurs très fins, d’une épaisseur nanométrique (un à trois atomes seulement)», souligne Stéphane Berciaud. Pas n’importe quel semi-conducteur: des matériaux au nom barbare, nommés «dichalcogénures de métaux de transition» (TMD). En clair, ils combinent un métal comme le molybdène ou le tungstène, à deux atomes de soufre ou de sélénium. «Dans ces matériaux, les excitons sont particulièrement robustes.»
Les chercheurs savent empiler des mono-couches de TMD, liées entre elles par des forces faibles. Cette structure leur confère des propriétés physiques très originales. Par exemple, leur faible friction mécanique est exploitée dans les farts de ski.
Dans de tels semi-conducteurs, certaines équipes étaient déjà parvenues à propager des excitons. Mais sur des temps très courts, et à des températures extrêmement basses (au moins -173°C). «L’électron et son trou se rejoignaient très vite. L’électron émettait de la lumière, et l’exciton était détruit», explique Andras Kis.
Plus longue durée de vie
Son équipe – «un des leaders mondiaux du domaine», précise Stéphane Berciaud – est parvenue à prolonger l’odyssée de ces excitons. Comment? En utilisant deux TMD différents: le disulfure de molybdène (MoS2) et le diséléniure de tungstène (WSe2). L’avantage: l’électron se place systématiquement dans la couche de MoS2, et le «trou» dans celle de WSe2. «Il devient alors très difficile pour eux de se rejoindre. Cela allonge considérablement la durée de vie de l’exciton», se réjouit Andras Kis. Du coup, ces quasi-particules ne sont pas rapidement détruites à température ambiante.
Ce tour de force a aussi nécessité la collaboration avec un groupe japonais, «capable de produire les meilleurs cristaux du monde d’un isolant, le nitrure de brome», relève Stéphane Berciaud. Exfolié en couches ultra-fines, cet isolant a servi à enrober «en sandwich» les deux couches de TMD, prolongeant la vie des excitons. Mieux encore: à l’aide de champs électriques, les chercheurs sont parvenus à «dompter» la trajectoire de ces simili-particules.
Quid des applications? L’EPFL évoque une découverte qui «lance l’électronique du futur». Des promesses encore floues, en vérité. «Nous ne sommes qu’au début de l’aventure, reconnaît Andras Kis. Beaucoup reste à faire avant de développer des systèmes innovants opérationnels. Mais on peut imaginer augmenter l’efficacité des dispositifs opto-électroniques pour des détecteurs de lumière utilisés dans les télécommunications. Ou réduire leur taille. Ou encore diminuer la consommation d’énergie des ordinateurs.»
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