Une puce mémoire était constituée de transistors avec des nanotubes de carbone qui conservaient leurs propriétés électriques et leur mémoire après avoir été bombardés par de grandes quantités de rayonnement. Crédit : Adapté de ACS Nano 2021, DOI : 10.1021/acsnano.1c04194
Les missions spatiales, telles que Nasa‘s Orion qui emmènera les astronautes Mars, repoussent les limites de l’exploration humaine. Mais pendant leur transit, les engins spatiaux rencontrent un flux continu de rayonnement cosmique dommageable, qui peut endommager ou même détruire l’électronique embarquée. Pour prolonger les futures missions, les chercheurs reportant en ACS Nano montrent que les transistors et les circuits avec des nanotubes de carbone peuvent être configurés pour conserver leurs propriétés électriques et leur mémoire après avoir été bombardés par de grandes quantités de rayonnement.
La durée de vie et la distance des missions dans l’espace lointain sont actuellement limitées par l’efficacité énergétique et la robustesse de la technologie qui les pilote. Par exemple, un rayonnement intense dans l’espace peut endommager l’électronique et provoquer des problèmes de données, ou même faire tomber en panne complètement les ordinateurs.
Une possibilité consiste à inclure des nanotubes de carbone dans des composants électroniques largement utilisés, tels que des transistors à effet de champ. Ces single-atome-les tubes épais devraient rendre les transistors plus économes en énergie par rapport aux versions plus courantes à base de silicium. En principe, la taille ultra-petite des nanotubes devrait également contribuer à réduire les effets qu’auraient les rayonnements lors de l’impact sur des puces mémoire contenant ces matériaux. Cependant, la tolérance au rayonnement des transistors à effet de champ à nanotubes de carbone n’a pas été largement étudiée. Ainsi, Pritpal Kanhaiya, Max Shulaker et leurs collègues voulaient voir s’ils pouvaient concevoir ce type de transistor à effet de champ pour résister à des niveaux élevés de rayonnement, et construire des puces mémoire basées sur ces transistors.
Pour ce faire, les chercheurs ont déposé des nanotubes de carbone sur une plaquette de silicium en tant que couche semi-conductrice dans les transistors à effet de champ. Ensuite, ils ont testé différentes configurations de transistors avec différents niveaux de blindage, constitués de fines couches d’oxyde d’hafnium et de titane et de platine métallique, autour de la couche semi-conductrice.
L’équipe a découvert que le placement de boucliers au-dessus et au-dessous des nanotubes de carbone protégeait les propriétés électriques du transistor contre les rayonnements entrants jusqu’à 10 Mrad, un niveau bien supérieur à ce que la plupart des appareils électroniques tolérants aux rayonnements à base de silicium peuvent gérer. Lorsqu’un bouclier n’était placé que sous les nanotubes de carbone, ils étaient protégés jusqu’à 2 Mrad, ce qui est comparable à l’électronique commerciale tolérante aux radiations à base de silicium.
Enfin, pour atteindre un équilibre entre la simplicité de fabrication et la robustesse aux rayonnements, l’équipe a construit des puces de mémoire statique à accès aléatoire (SRAM) avec la version à blindage inférieur des transistors à effet de champ. Tout comme pour les expériences réalisées sur les transistors, ces puces mémoire avaient un seuil de rayonnement de rayons X similaire à celui des dispositifs SRAM à base de silicium.
Ces résultats indiquent que les transistors à effet de champ à nanotubes de carbone, en particulier ceux à double blindage, pourraient être un ajout prometteur à l’électronique de nouvelle génération pour l’exploration spatiale, selon les chercheurs.
Référence : « Carbon Nanotubes for Radiation-Tolerant Electronics » par Pritpal S. Kanhaiya, Andrew Yu, Richard Netzer, William Kemp, Derek Doyle et Max M. Shulaker, 27 octobre 2021, ACS Nano.
DOI : 10.1021/acsnano.1c04194
Les auteurs reconnaissent le financement du Laboratoire de recherche de l’US Air Force et d’Analog Devices, Inc.
