Des chercheurs du MIT ont mis au point un moyen de faire croître un film mince de GaN monocristallin sur un substrat de GaN à travers des matériaux bidimensionnels. Le film mince de GaN est ensuite exfolié par un substrat souple, montrant la couleur de l'arc-en-ciel qui vient de l'interférence du film mince. Cette technologie ouvrira la voie à une électronique flexible et à la réutilisation des wafers. Crédit :Wei Kong et Kuan Qiao
La grande majorité des appareils informatiques d'aujourd'hui sont fabriqués à partir de silicium, le deuxième élément le plus abondant sur Terre, après l'oxygène. Le silicium peut être trouvé sous diverses formes dans les roches, argile, sable, et le sol. Et bien que ce ne soit pas le meilleur matériau semi-conducteur qui existe sur la planète, c'est de loin le plus facilement disponible. En tant que tel, le silicium est le matériau dominant utilisé dans la plupart des appareils électroniques, y compris les capteurs, cellules solaires, et les circuits intégrés de nos ordinateurs et smartphones.
Les ingénieurs du MIT ont maintenant développé une technique pour fabriquer des films semi-conducteurs ultrafins à partir d'une multitude de matériaux exotiques autres que le silicium. Pour démontrer leur technique, les chercheurs ont fabriqué des films souples à base d'arséniure de gallium, nitrure de gallium, et le fluorure de lithium, des matériaux qui présentent de meilleures performances que le silicium mais qui, jusqu'à présent, étaient d'un coût prohibitif à produire dans des dispositifs fonctionnels.
La nouvelle technique, les chercheurs disent, fournit une méthode rentable pour fabriquer de l'électronique flexible à partir de n'importe quelle combinaison d'éléments semi-conducteurs, qui pourraient fonctionner mieux que les dispositifs actuels à base de silicium.
"Nous avons ouvert un moyen de fabriquer de l'électronique flexible avec tant de systèmes de matériaux différents, autre que le silicium, " dit Jeehwan Kim, la promotion de 1947 professeur agrégé en développement de carrière dans les départements de génie mécanique et de science et génie des matériaux. Kim envisage que la technique peut être utilisée pour fabriquer à faible coût, des dispositifs performants tels que des cellules solaires flexibles, et des ordinateurs portables et des capteurs.
Les détails de la nouvelle technique sont rapportés aujourd'hui dans Matériaux naturels . En plus de Kim, les co-auteurs de l'article au MIT incluent Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard Molnar, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Yang Shao-Horn, et Jeffrey Grossman, avec des chercheurs de l'Université Sun Yat-Sen, l'Université de Virginie, l'Université du Texas à Dallas, le laboratoire de recherche naval des États-Unis, Université d'État de l'Ohio, et Georgia Tech.
Maintenant tu le vois, maintenant tu ne le fais pas
En 2017, Kim et ses collègues ont mis au point une méthode pour produire des "copies" de matériaux semi-conducteurs coûteux en utilisant du graphène - une feuille atomiquement mince d'atomes de carbone disposés dans un hexagone, motif de grillage. Ils ont découvert que lorsqu'ils ont empilé du graphène sur un pur, plaquette coûteuse en matériau semi-conducteur tel que l'arséniure de gallium, puis des atomes de gallium et d'arséniure ont coulé sur l'empilement, les atomes semblaient interagir d'une manière ou d'une autre avec la couche atomique sous-jacente, comme si le graphène intermédiaire était invisible ou transparent. Par conséquent, les atomes assemblés dans le précis, motif monocristallin de la plaquette semi-conductrice sous-jacente, formant une copie exacte qui pourrait ensuite être facilement décollée de la couche de graphène.
La technique, qu'ils appellent "épitaxie à distance, " fourni un moyen abordable de fabriquer plusieurs films d'arséniure de gallium, en utilisant une seule plaquette sous-jacente coûteuse.
Peu de temps après avoir rendu compte de leurs premiers résultats, l'équipe s'est demandé si leur technique pouvait être utilisée pour copier d'autres matériaux semi-conducteurs. Ils ont essayé d'appliquer l'épitaxie à distance au silicium, et aussi du germanium - deux semi-conducteurs peu coûteux - mais ont découvert que lorsqu'ils faisaient circuler ces atomes sur du graphène, ils ne parvenaient pas à interagir avec leurs couches sous-jacentes respectives. C'était comme si le graphène, auparavant transparent, devenu soudain opaque, empêchant les atomes de silicium et de germanium de "voir" les atomes de l'autre côté.
Comme ça arrive, le silicium et le germanium sont deux éléments qui existent dans le même groupe du tableau périodique des éléments. Spécifiquement, les deux éléments appartiennent au groupe quatre, une classe de matériaux ioniquement neutres, ce qui signifie qu'ils n'ont pas de polarité.
"Cela nous a donné un indice, " dit Kim.
Peut-être, l'équipe a raisonné, les atomes ne peuvent interagir entre eux via le graphène que s'ils ont une charge ionique. Par exemple, dans le cas de l'arséniure de gallium, le gallium a une charge négative à l'interface, par rapport à la charge positive de l'arsenic. Cette différence de charge, ou polarité, peut avoir aidé les atomes à interagir à travers le graphène comme s'il était transparent, et pour copier le motif atomique sous-jacent.
"Nous avons découvert que l'interaction à travers le graphène est déterminée par la polarité des atomes. Pour les matériaux à liaison ionique les plus forts, ils interagissent même à travers trois couches de graphène, " dit Kim. " C'est similaire à la façon dont deux aimants peuvent s'attirer, même à travers une fine feuille de papier."
Les contraires s'attirent
Les chercheurs ont testé leur hypothèse en utilisant l'épitaxie à distance pour copier des matériaux semi-conducteurs avec divers degrés de polarité, à partir de silicium neutre et de germanium, à l'arséniure de gallium légèrement polarisé, et enfin, fluorure de lithium hautement polarisé - un meilleur, semi-conducteur plus cher que le silicium.
Ils ont constaté que plus le degré de polarité est élevé, plus l'interaction atomique est forte, même, dans certains cas, à travers plusieurs feuilles de graphène. Chaque film qu'ils ont pu produire était flexible et n'avait que des dizaines à des centaines de nanomètres d'épaisseur.
Le matériau à travers lequel les atomes interagissent est également important, l'équipe a trouvé. En plus du graphène, ils ont expérimenté une couche intermédiaire de nitrure de bore hexagonal (hBN), un matériau qui ressemble au motif atomique du graphène et a une qualité similaire à celle du téflon, permettant aux matériaux superposés de se décoller facilement une fois qu'ils sont copiés.
Cependant, hBN est composé d'atomes de bore et d'azote de charges opposées, qui génèrent une polarité au sein même du matériau. Dans leurs expériences, les chercheurs ont découvert que tous les atomes circulant sur hBN, même s'ils étaient eux-mêmes fortement polarisés, n'ont pas pu interagir complètement avec leurs plaquettes sous-jacentes, suggérant que la polarité des atomes d'intérêt et du matériau intermédiaire détermine si les atomes vont interagir et former une copie de la plaquette semi-conductrice d'origine.
"Maintenant, nous comprenons vraiment qu'il existe des règles d'interaction atomique à travers le graphène, " dit Kim.
Avec cette nouvelle compréhension, il dit, les chercheurs peuvent maintenant simplement regarder le tableau périodique et choisir deux éléments de charge opposée. Une fois qu'ils acquièrent ou fabriquent une plaquette principale constituée des mêmes éléments, ils peuvent ensuite appliquer les techniques d'épitaxie à distance de l'équipe pour fabriquer plusieurs, copies exactes de la plaquette originale.
"Les gens ont surtout utilisé des plaquettes de silicium parce qu'elles sont bon marché, " dit Kim. "Maintenant, notre méthode ouvre un moyen d'utiliser des matériaux sans silicium. Vous pouvez simplement acheter une plaquette chère et la copier encore et encore, et continuez à réutiliser la plaquette. Et maintenant, la bibliothèque de matériaux pour cette technique est totalement étendue."
Kim envisage que l'épitaxie à distance peut maintenant être utilisée pour fabriquer des ultrafins, films flexibles d'une grande variété de précédemment exotiques, matériaux semi-conducteurs - tant que les matériaux sont constitués d'atomes avec un certain degré de polarité. De tels films ultraminces pourraient potentiellement être empilés, l'un sur l'autre, produire de minuscules, souple, appareils multifonctions, tels que les capteurs portables, cellules solaires flexibles, et même, dans un futur lointain, "des téléphones portables qui s'attachent à votre peau."
« Dans les villes intelligentes, où nous pourrions vouloir mettre de petits ordinateurs partout, nous aurions besoin de faible puissance, dispositifs de calcul et de détection hautement sensibles, fabriqué à partir de meilleurs matériaux, " dit Kim. "Cette [étude] ouvre la voie à ces appareils."
