Le professeur Changhong Cao, de la Faculté de génie de l'Université McGill, n'est pas un inconnu au MIF. Professeur adjoint au Département de génie mécanique et boursier Chwang-Seto, M. Cao est également un vétéran du MIF, ayant remporté les prix Discover (25 000 $) et Develop (50 000 $) du MIF. Faisant preuve d'un esprit d'entreprise audacieux, il a mis à profit ces ressources pour repousser les limites de ses recherches novatrices dans le domaine des technologies de caractérisation basées sur les micropuces.
Les travaux de Cao portent sur le développement de dispositifs et de technologies de fabrication avancées pour la caractérisation et la production de systèmes fonctionnels à base de micro/nanomatériaux.
L'un de ses projets consiste à développer un système autonome qui caractérise les propriétés des films ultra-minces, c'est-à-dire des matériaux bidimensionnels (2DM). Cette plateforme est un outil essentiel pour le développement de technologies avancées telles que l'électronique, les capteurs et d'autres applications à l'échelle nanométrique.
Le graphène : pourquoi est-il si important ?
Vous avez peut-être entendu parler des puces en silicium, qui sont à la base de l'électronique moderne. Dominant depuis les années 1960, le silicium atteint ses limites en termes de compacité et de nombre de transistors pouvant être intégrés dans une plaquette de taille standard, ce qui limite considérablement la puissance de calcul et le fonctionnement global.
Comme le prédit la loi de Moore, le nombre de transistors dans un circuit double régulièrement tous les deux ans, mais cette tendance ralentit, car la densité des circuits atteint des niveaux qui dépassent ce qui peut être contrôlé efficacement. Mais selon le professeur Cao, « le graphène et les 2DM ont le potentiel de surpasser, voire de remplacer le silicium, en créant des transistors avec une puissance de calcul plus élevée, une meilleure mémoire et de meilleurs capteurs ».
Les propriétés uniques du graphène offrent une gamme d'applications dans l'industrie électronique, ouvrant la voie à des processeurs plus petits, plus rapides et plus efficaces. Au-delà du domaine de l'électronique, le graphène a des applications dans les soins de santé, les technologies propres, l'agriculture et même comme matériau pour les batteries à haute capacité.
En bref, le graphène est un matériau « miracle » qui a le potentiel de résoudre de nombreux défis auxquels la société est confrontée aujourd'hui, et McGill joue un rôle clé dans son développement.
Franchir la barrière de la 2D
« Nous sommes sur le point de commercialiser des appareils aux performances sans précédent grâce à la 2DM », explique le professeur Cao, « mais il reste encore quelques étapes importantes à franchir pour que ces technologies passent du laboratoire au marché ».
L'une des principales préoccupations est la capacité à fabriquer ces systèmes à un coût raisonnable avec des performances constantes. Une étape cruciale consiste à effectuer des tests approfondis sur les propriétés mécaniques, électriques et autres de ces matériaux.
Fort du prix MIF Discover 2021, M. Cao a mis au point le système microélectromécanique (MEMS), une conception permettant d'effectuer ces tests fondamentaux, et il a conclu qu'il avait le potentiel de servir un marché de niche. Il a ensuite tiré parti des capacités de son système MEMS pour approfondir ses connaissances sur les caractéristiques du 2DM, avec pour objectif ultime la commercialisation de sa plateforme.
« Les 2DM étant synthétisés à l'aide de processus standard, leur fabrication peut être facilement adaptée », explique M. Cao. Avec son étudiant Lingzhi Zhang, il continue à développer des capacités de caractérisation jusqu'alors inexistantes, telles que l'utilisation d'une imagerie haute résolution pour examiner les effets de couplage pendant les processus mécaniques, électriques et thermiques.
Après une pause, le professeur Cao est revenu pour remporter le prix MIF Develop en 2023 et a encore élargi ses travaux sur les MEMS. Il s'est mis en relation avec des investisseurs et des collaborateurs afin de faire passer sa technologie au niveau supérieur, et vise actuellement à vendre la plateforme à d'autres professionnels de la recherche pour qu'ils la testent et lui fassent part de leurs commentaires.
La condition idéale
Le parcours de M. Cao ne s'arrête pas à la plateforme MEMS. Avec son esprit ambitieux et entrepreneurial, il travaille sur un autre projet axé sur une technologie de pointe de micro-pick-and-place.
Par exemple, les écrans à base de MicroLED utilisent un circuit LED miniature pour chaque pixel de l'écran, ce qui permet d'obtenir une résolution d'image extrêmement élevée, de meilleurs angles de vision et une intensité et une puissance accrues. Pour mettre cela en perspective, ces LED minuscules peuvent être plus petites qu'un cheveu (<100 micromètres), et il en faut des millions pour un appareil aussi petit qu'une montre !
La petite taille des MicroLED les rend extrêmement difficiles à manipuler et à contrôler. « À une échelle aussi petite, les forces de surface deviennent dominantes par rapport à la gravité ; si les ramasser est facile, les placer à l'endroit souhaité est assez délicat », explique-t-il.
Pour relever ce défi, en collaboration avec le professeur Fiona Zhao de McGill et le professeur Nicolas Quaegebeur de l'Université de Sherbrooke, M. Cao a mis au point une technologie révolutionnaire qui utilise des ondes acoustiques pour faire léviter ces minuscules LED au-dessus d'une surface et les placer sur une autre surface sans aucun contact physique (un brevet pour ce procédé est en instance). « Il faut trouver les bons paramètres, explique M. Cao, sinon on risque de faire voler les LED ou de ne pas pouvoir les ramasser. »
Cao estime que son travail a franchi une étape décisive dans la réalisation de cette « condition idéale », mais si la technologie est presque prête pour le placement de MicroLED individuelles, il reste encore beaucoup de recherches à mener pour faire léviter des matrices de LED plus grandes pour les appareils qui en ont besoin.
La méthode de placement de Cao pourrait révolutionner l'assemblage des technologies de pointe, en rationalisant le processus standard de fabrication et de commercialisation des MicroLED. Pour mettre cela en contexte, le prix de vente au détail d'un téléviseur MicroLED peut dépasser 100 000 dollars pour un écran de 100 pouces. Avec des coûts aussi élevés, la méthode de Cao pourrait potentiellement réduire considérablement les dépenses et bouleverser l'industrie.
Mais la commercialisation des technologies de pointe peut prendre beaucoup de temps, car de nombreux tests sont nécessaires avant de pouvoir les produire à grande échelle. Le MIF offre non seulement des possibilités de financement pour faire avancer la recherche, mais aussi des conseils d'experts et des contacts qui peuvent permettre à des start-ups comme celle de Cao de toucher un public plus large. « Le MIF est la plateforme idéale pour transformer mes recherches en un produit, et à terme en une entreprise », a-t-il déclaré avec le sourire.
