En utilisant des métamatériaux spécialement conçus, des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego (UC San Diego) ont créé le premier appareil microélectronique qui n’utilise pas de semi-conducteurs, mais fait appel à un contrôle optique à base de laser de faible puissance pour augmenter sa conductivité de plus de 1000 %.
Selon l’équipe de l’UC San Diego, les transistors et les autres dispositifs semi-conducteurs classiques ont une limite supérieure à leurs propriétés de conductivité en raison des restrictions inhérentes aux matériaux à partir desquels ils sont fabriqués. Ceci est dû au fait que l’intervalle de bande d’un semi-conducteur (la quantité définie d’énergie nécessaire pour qu’un électron se détache du matériau et s’écoule le long d’un chemin de conduction) signifie qu’une énergie supplémentaire est nécessaire pour permettre le flux d’électrons. En outre, la vitesse des électrons est limitée dans les semi-conducteurs car ils entrent en collision avec les atomes pendant qu’ils se déplacent à travers les matériaux.
Ces limites à la conductivité sont ce que les chercheurs de l’Université de San Diego ont cherché à éliminer en échangeant des semi-conducteurs avec un métamatériau qui permettait aux électrons de circuler librement à travers l’espace ouvert.
D’ordinaire, le déplacement des électrons des matériaux vers l’espace libre n’est pas si facile et nécessite l’application d’au moins 100 volts, une excitation réalisée avec des lasers de forte puissance ou une élévation de la température jusqu’à des valeurs supérieures à 538 °C, tout ceci est peu pratique avec des appareils électroniques miniatures.
Pour surmonter ces exigences extrêmes, l’équipe a utilisé des surfaces spécialisées, connues sous le nom de métasurfaces, pour concevoir un dispositif à une échelle microscopique capable de libérer des électrons via des résonances de plasmon de surface localisées (essentiellement la génération de champs électriques à proximité de la surface des particules qui fournissent des chemins à faible conduction).
Créée à partir d’un éventail de nanostructures en forme de champignon montées sur une matrice de bandes en or et et construite sur une plaquette de silicium avec une couche de dioxyde de silicium séparant les deux niveaux, la métasurface génère des « points chauds » de champs électrique de haute intensité lorsqu’une faible tension de courant continue (inférieure à 10 volts) et un laser infrarouge de faible puissance sont appliqués simultanément.
Cette tension et cette excitation laser produisent à leur tour suffisamment d’énergie pour libérer des électrons du métamatériau, qui peuvent alors s’écouler librement dans l’espace. Tant et si bien, que les tests ont montré qu’un changement de conductivité supérieur à 1000 % s’est produit.
« Cela signifie plus d’électrons disponibles pour la manipulation », a déclaré Ebrahim Forati, un ancien chercheur postdoctoral sur le projet à l’UC San Diego.
Les métasurfaces se retrouvent dans de nombreux autres prototypes miniatures, tels que les lentilles ultrafines qui manipulent la lumière d’une manière que l’optique conventionnelle ne peut pas ou que les amortisseurs acoustiques passifs qui sont capables de réorienter l’énergie sonore contrairement à tout autre appareil acoustique, car ils sont capables d’influencer mécaniquement les longueurs d’onde des phénomènes sans avoir à recourir à l’ajout de composants électroniques à haute puissance.
« Cela ne remplacera certainement pas tous les dispositifs à semi-conducteurs, mais cela peut être la meilleure approche pour certaines applications spécialisées, telles que les très hautes fréquences ou les dispositifs de haute puissance », a déclaré le professeur Dan Sievenpiper, chef de l’équipe de recherche du Applied Electromagnetics Group of UC San Diego.
Cette métasurface spécifique a été créée comme une preuve de concept et non comme une composante générique, de sorte que l’équipe croit que différentes métasurfaces devront être adaptées à d’autres dispositifs et utilisations possibles dans des domaines tels que la photochimie et la photocatalyse, aussi bien que de nouveaux types de dispositifs photovoltaïques.
« Ensuite, nous devons comprendre jusqu’à quel point ces dispositifs peuvent être mis à l’échelle et les limites de leur performance », a déclaré Dab Sievenpiper.
http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2060
http://www.nature.com/articles/ncomms13399
