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Avancer vers la nano-électronique: les modèles et les mécanismes

Des scientifiques ont étudié des mini-circuits faits de carbone nano-structuré et destinés à des utilisations à hautes fréquences dans les télécommunications et la médecine.
Avancer vers la nano-électronique: les modèles et les mécanismes
Actuellement, la tendance en électronique et en optoélectronique est d'utiliser les nanotechnologies pour élargir la gamme de fréquences vers le THz et l'infrarouge. La nano-électronique utilise ainsi des composants à l'échelle du nanomètre, ce qui augmente leur intégration et réduit la consommation d'énergie. Plusieurs nano-matériaux ont soulevé un très grand intérêt. C'est le cas des nano-structures à base de carbone, comme les nanotubes à une ou plusieurs parois, les structures en oignon et le graphène.

Le projet CACOMEL (Nano-carbon based components and materials for high frequency electronics), financé par l'UE, a étudié les effets électromagnétiques linéaires ou non dans le carbone nano-structuré utilisé pour les nano-circuits. Les chercheurs ont étudié les mécanismes physiques sous-jacents de manière théorique et expérimentale.

Les partenaires ont réalisé un concept de compatibilité électromagnétique (EMC) des circuits, utilisant des nano-composants et basé sur les théories classiques d'électrodynamique et de transport quantique dans les nano-structures. Ils ont revu les concepts classiques d'EMC, en tenant compte des corrélations quantiques et de l'effet tunnel, ainsi que des interactions entre les spins et entre les dipôles. Ils ont illustré ce concept par l'exemple des interconnexions utilisant des nanotubes de carbone.

CACOMEL a obtenu la première preuve expérimentale d'une résonance localisée de plasmons dans des matériaux composites contenant des nanotubes de carbone à une seule paroi, et dépendant de la longueur des nanotubes. Les scientifiques ont aussi mis au point une méthode numérique pour calculer la structure électronique des impuretés ponctuelles de ces nanotubes de carbone à une seule paroi.

Les chercheurs ont comparé dans la gamme des micro-ondes les propriétés diélectriques et électromagnétiques de composites à base de nanotubes de carbone, dopés ou non à l'azote, et montré l'importance de ce dopage. Ils ont constaté expérimentalement l'amélioration des propriétés électromagnétiques des nanotubes dopés, en accord avec le modèle théorique de la «métallisation» des nanotubes de carbone semi-conducteurs.

Le transport électronique dans les nano-interconnexions en carbone a été modélisé avec les ensembles de nano-rubans de graphène et les amas de nanotubes de carbone. Ces modèles ont aussi servi à étudier les difficultés du nano-packaging.

Les scientifiques ont synthétisé des couches de carbone pyrolytique hautement conducteur, semi-transparent et nanométrique, sur des substrats diélectriques. Elles absorbent jusqu'à 50 % de la puissance incidente, ce qui les rend très intéressantes pour le blindage électromagnétique.

Enfin, l'étude des non-linéarités de tiers ordre des nanotubes de carbone à une seule paroi a révélé la localisation des porteurs ainsi qu'un effet tunnel à travers les barrières isolantes entre régions conductrices. CACOMEL a contribué au développement du nano-électromagnétisme, une nouvelle discipline de recherche importante pour les télécommunications, la médecine et la cyber-sécurité.

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Mots-clés

Nano-électronique, carbone nano-structuré, térahertz, nanotubes de carbone, graphène