De très petits pas font une grande différence pour les chercheurs qui souhaitent créer de grandes plaquettes de matériau bidimensionnel.

Des marches de la taille d'un atome dans un substrat permettent aux cristaux 2D croissant dans un four à vapeur chimique de se réunir en un rang parfait. Les scientifiques ont récemment observé ce phénomène, et maintenant, un groupe de l'Université Rice a une idée de pourquoi cela fonctionne.

Le théoricien des matériaux de riz Boris Yakobson et la chercheuse Ksenia Bets ont dirigé la construction de simulations qui montrent des étapes de la taille d'un atome sur une surface de croissance, ou substrat, ont la capacité remarquable de maintenir les îlots cristallins monocouches en alignement au fur et à mesure de leur croissance.

Si les conditions sont réunies, les îlots se rejoignent en un cristal plus grand sans les joints de grains si caractéristiques des matériaux 2D comme le graphène cultivé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Qui préserve leur perfection et leurs caractéristiques électroniques, qui diffèrent selon le matériau.

La théorie de Rice apparaît dans la revue American Chemical Society Lettres nano .

L'enquête a porté sur le nitrure de bore hexagonal (h-BN), alias graphène blanc, un cristal souvent développé par CVD. Les cristaux nucléent à divers endroits sur un matériau de substrat parfaitement plat et pas nécessairement alignés les uns avec les autres.

Cependant, des expériences récentes ont démontré que la croissance sur des substrats vicinaux - des surfaces qui semblent plates mais qui sont en réalité clairsemées, petites étapes atomiques - peuvent aligner les cristaux et les aider à fusionner en un seul, structure uniforme, comme rapporté sur arXiv. Co-auteur de ce rapport et chef de l'équipe coréenne, Feng Ding, est un ancien élève du laboratoire Yakobson et actuellement professeur adjoint à Rice.

Mais les expérimentateurs ne montrent pas comment cela fonctionne car, Yakobson a dit, les marches sont connues pour serpenter et être quelque peu désalignées.

"J'aime comparer le mécanisme à un 'filtre numérique, ' ici offerte par la nature discrète des réseaux atomiques, " dit-il. " La courbe analogique qui, avec ses pentes, décrit une étape sinueuse est « échantillonnée et numérisée » par la grille même des rangées atomiques constitutives, briser la courbe en segments droits de terrasse 1D. La pente n'aide pas, mais ça ne fait pas mal. Étonnamment, le match peut être bon; comme une maison bien conçue sur une colline, il se tient droit.

"La théorie est simple, bien qu'il ait fallu beaucoup de travail pour calculer et confirmer la correspondance de complémentarité entre le gabarit métallique et le h-BN, presque comme pour les paires A-G-T-C dans les brins d'ADN, " a déclaré Yakobson.

On ne savait pas pourquoi les cristaux avaient si bien fusionné en un seul jusqu'à ce que les simulations de Bets, avec l'aide du co-auteur et étudiant diplômé de Rice Nitant Gupta, ont montré comment les "îlots" h-BN restent alignés tout en se nucléant le long d'étapes visiblement incurvées.

"Une surface vicinale a des marches qui sont légèrement désalignées dans la zone plate, " Bets dit. " Il a de grandes terrasses, mais à l'occasion, il y aura des marches d'une hauteur d'un atome. L'astuce des expérimentateurs était d'aligner ces étapes vicinales dans une direction."

Dans le dépôt chimique en phase vapeur, un gaz chaud des atomes qui formeront le matériau s'écoule dans la chambre, où ils se déposent sur le substrat et nucléent des cristaux. Les atomes h-BN sur une surface vicinale préfèrent s'installer dans le creux des marches.

"Ils ont ce joli coin où les atomes auront plus de voisins, qui les rend plus heureux, " Bets a déclaré. "Ils essaient de s'aligner sur les étapes et de grandir à partir de là.

"Mais d'un point de vue physique, il est impossible d'avoir un parfait, marche atomiquement plate, " dit-elle. " Tôt ou tard, il y aura de petites indentations, ou des plis. Nous avons trouvé qu'à l'échelle atomique, ces plis dans les marches n'empêchent pas le h-BN de s'aligner si leurs dimensions sont complémentaires à la structure du h-BN. En réalité, ils contribuent à assurer la co-orientation des îles."

Parce que les étapes modélisées par le laboratoire Rice ont une profondeur de 1,27 angström (un angström correspond à un milliardième de mètre), les cristaux en croissance ont peu de mal à surmonter la frontière. "Ces étapes sont plus petites que la distance de liaison entre les atomes, " Bets dit. " S'ils étaient plus gros, comme deux angströms ou plus, ce serait plutôt une barrière naturelle, les paramètres doivent donc être ajustés avec soin."

Deux îles en croissance qui s'approchent l'une de l'autre s'emboîtent harmonieusement, selon les simulations. De la même manière, les fissures qui apparaissent le long des marches guérissent facilement car les liaisons entre les atomes sont suffisamment fortes pour surmonter la petite distance.

Toute voie vers une croissance à grande échelle des matériaux 2D vaut la peine d'être poursuivie pour une armée d'applications, selon les chercheurs. Matériaux 2-D comme le graphène conducteur, Le h-BN isolant et les dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs font tous l'objet d'un examen minutieux par les chercheurs du monde entier. Les chercheurs de Rice espèrent que leurs modèles théoriques ouvriront la voie à de grands cristaux de toutes sortes.