Les chalcogénides : à mi-chemin entre fibres optiques et semi-conducteurs

Imaginez un matériau qui transporte la lumière et donc l’information, mais qui possède aussi des propriétés qui lui permettent d’agir sur ce flux, peut-être jusqu’à réaliser des opérations logiques. Si cela ressemble pour le moment à de la science-fiction, un projet de recherche sur une classe de matériaux appelés chalcogénides, et qui rassemble les universités de Cambridge, Surrey et Southampton, pourrait rapprocher ce rêve de la réalité.

Une fibre optique classique est constituée de verre de silice (ou de plastique), un matériau passif et inerte, qui guide l’onde de lumière d’une extrémité à l’autre en exploitant ses propriétés réfractrices. Les fibres optiques peuvent ainsi transporter de l’information sur de très longues distances et constituent désormais le coeur d’un réseau de communication qui relie tous les continents. Mais la dispersion et les pertes requièrent la présence régulière de répétiteurs et d’amplificateurs le long de la fibre, ce qui est onéreux, ralenti le flux d’information et introduit des composants supplémentaires sujets à de possibles défaillances.

L’idéal serait donc de disposer d’un matériau qui, tout en conduisant la lumière, serait actif et capable de réaliser lui-même cette amplification du signal. Les chalcogénides pourraient être la solution. En effet, ils peuvent facilement être mis sous forme de fibres, de films ou encore de microsphères (en fait n’importe quelle forme qui pourrait être réalisée en verre), et ils possèdent aussi les propriétés électroniques des semi-conducteurs. Ce qui en fait presque "un mariage de ces deux mondes", comme aime à le présenter le professeur Dan Hewak qui dirige l’équipe de l’Université de Southampton dédiée à l’étude de ces matériaux et qui fait partie de l’Optoelectronics Research Center (ORC, Centre de recherche en optoélectronique).

Mais que sont ces chalcogénides ? Et bien, ils correspondent à des éléments chimiques constitués d’un ion chalcogène associé à un autre élément chimique à faible électronégativité. Cet ion chalcogène est généralement un sulfure (composé à base de soufre), un séléniure (à base de sélénium) ou un tellurure (ion tellure). Matériaux amorphes, ils disposent de propriétés similaires à celles du verre, et ont été, jusqu’à maintenant, surtout utilisés pour des applications de niche (comme des disques optiques autorisant la réécriture, ou encore des éléments de mémoire non volatile).

Ce qui leur donne ces propriétés tant recherchées qui les rapprochent des semi-conducteurs, c’est un procédé technique : le dopage, ou implantation ionique. Par ce procédé, des ions bien spécifiques et en quantité contrôlée sont implantés dans le matériau à des endroits très précis. Ils permettent de modifier localement les propriétés électroniques de la matière. C’est ce qui est réalisé lors de la fabrication des transistors qui constituent le coeur de tous les composants électroniques et des ordinateurs. Et c’est précisément sur l’implantation d’ions au sein des chalcogénides que travaillent les différentes équipes de recherche des trois universités, au sein d’un projet lancé en mars 2011 par le gouvernement britannique, "Photonic Hyperhighway" pour développer la nouvelle génération de fibres optiques [1]. Mais bien d’autres applications pourraient voir le jour. En électronique et optique, LEDs, photodiodes, amplificateurs optiques, mémoires cellulaires ou transistors, l’ensemble de ces composants pourrait profiter des recherches sur les chalcogénides. Parmi les autres champs d’application qui pourraient bénéficier des avancées dans cette branche de la science des matériaux, de nouvelles cellules photovoltaïques incluant des chalcogénides seraient envisageables. Elles présenteraient une bien plus grande efficacité que les cellules classiques à base de silicium.

Ce programme de recherche est financé par l’Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC, Conseil pour la Recherche en Ingénierie et les Sciences physiques) à hauteur de 1,48 M£ et forme l’une des composantes d’un projet plus vaste du EPSRC s’intéressant aux grands défis de la microélectronique et intitulé "Performance Driven Design for Next Generation Chip Design" (Conception tirée par la performance pour la conception de la prochaine génération de puce électronique). Ce financement a été attribué pour deux ans durant lesquels la nouvelle plateforme de recherche en optoélectronique fondée sur les chalcogénides devrait attirer de nombreuses collaborations, en particulier avec les industriels.

Le centre de recherche en optoélectronique de l’Université de Southampton s’impose aujourd’hui comme l’un des acteurs les plus innovants pour les technologies de fibre optique. De nombreux projets sont également en cours au Royaume-Uni pour mettre au point la prochaine génération de semi-conducteurs. Dans ce domaine les universités de Cambridge et de Manchester sont les plus avancées.

[1] Science et Technologie au Royaume-Uni, Janvier-Février 2011 : http://www.ambafrance-uk.org/Transformer-l-infrastructure-d


Sources :
- The Engineer - 4/08/11 - http://bit.ly/ok4xM6
- Electronics Weekly - 3/08/11 - http://bit.ly/oug8Ek
- Université de Southampton - http://www.soton.ac.uk/mediacentre/features/orc_grant.shtml


Auteurs : Pierre Chrzanowski et Olivier Gloaguen

publié le 23/09/2011

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