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Laboratoire Pierre Aigrain

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Transistor GHz à nanotube de carbone unique

Le 15 février 2008

Peut-on miniaturiser à l’échelle du nanomètre le canal d’un transistor ? Un tel nano-transistor peut-il fonctionner à haute fréquence, comment fonctionne-t-il et à quoi peut-il servir ? Pour répondre à ces questions le Groupe de Physique Mésoscopique du Laboratoire Pierre Aigrain a fabriqué et caractérisé dans la gamme GHz des nano-transistors réalisés à partir de nanotubes de carbones uniques. Avec ses 1 à 2 nanomètres de diamètre, un nanotube de carbone semiconducteur constitue le canal de transistor le plus élémentaire qu’on puisse imaginer. Le transport de charge est assuré par un mode électronique unique, 4 fois dégénéré, pouvant transporter un dizaine de microampères en régime balistique avec une résistance quantifiée de 6 kOhms. Une grille chapeautante, elle-même nanométrique et idéalement couplée électrostatiquement au canal, permet de moduler ce courant avec une tension de commande inférieure au volt. Il en découle de fortes transconductances de 10 microSiemens, à comparer aux 0.5 µS/nm pour les semiconducteurs classiques. De telles performances avaient été observées en régime continu mais jamais à haute fréquence, à cause de la difficulté des mesures sous haute impédance. Ces qualités intrinsèques font du transistor à nanotube unique un détecteur de charge ultime, à la fois sensible, rapide et utile pour la physique fondamentale. Savoir détecter un à un les électrons qui circulent dans un conducteur quantique permettrait d’accéder à de nouveaux régimes de fonctionnement pour lesquels la mécanique quantique joue un rôle essentiel. Les perspectives sont aussi la lecture rapide des états de charge en sortie de dispositifs électroniques permettant de manipuler l’information quantique (cryptographie quantique, ordinateur quantique, …). Les expériences publiées dans Nano Letters en février 2008 par les chercheurs du Groupe de Physique Mésoscopique démontre les propriétés uniques de ces nano-transistors aux fréquences GHz qui permettent de déduire des fréquences de coupure de 50GHz, record pour un nano transistor.

Single carbon nanotube transistor at GHz frequency

J. Chaste, L. lechner, P. Morfin, G. Fève, T. Kontos, J.-M.Berroir, C. Glattli, H. Happy, P. Hakonen, B. Plaçais

NanoLetters, 8, 525 (2008)