L'utilisation de la pression pour modifier les propriétés des semi-conducteurs est de plus en plus prometteuse dans des applications telles que les capteurs infrarouges haute performance et les dispositifs de conversion d'énergie. Avec une interface cristal nouvelle et non conventionnelle, les chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute ont permis un réglage plus puissant et dynamique de la méthode, dont ils ont été les premiers pionniers en 2015.

« Une manière conventionnelle d'introduire une contrainte ou une pression dans un matériau fonctionnel consiste à faire croître un tel matériau sur un substrat similaire au matériau du film en chimie des matériaux mais différent en termes de constante de réseau. Dans notre travail, nous avons rompu avec cette sagesse conventionnelle", a déclaré Jian Shi, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Institut polytechnique Rensselaer.

La recherche est détaillée dans "Defect-engineered epitaxial VO2±δ in souche engineering of heterogeneous soft crystals, " publié dans une édition récente de Avancées scientifiques .

Des recherches antérieures utilisant la contrainte pour modifier les propriétés des semi-conducteurs se sont concentrées sur le développement d'une interface épitaxiale cohérente entre le film et le substrat pour transférer la contrainte du substrat au film. Par exemple, en ingénierie des déformations élastiques, les gens cultivent du germanium sur du silicium, oxydes sur oxydes, chalcogénures sur chalcogénures.

Le travail Science Advances introduit une nouvelle approche, dépôt d'un matériau semi-conducteur différent mais technologiquement important - la pérovskite aux halogénures - sur un substrat de dioxyde de vanadium. La pérovskite aux halogénures a peu d'impact sur la chimie du substrat de dioxyde de vanadium. Mais lorsqu'ils sont combinés, le dioxyde de vanadium et l'halogénure de perskovite forment une interface hétérogène, ce qui pourrait permettre à la contrainte d'être efficacement transférée au matériau semi-conducteur.

La recherche utilise un substrat spécialement conçu, le dioxyde de vanadium, capable d'une transition de phase structurelle, ce qui signifie qu'il change de structure sous différentes températures. Les chercheurs utilisent la transition de phase structurelle pour imposer une contrainte sur un semi-conducteur à couche mince déposé sur sa surface à l'aide d'un dépôt chimique en phase vapeur.

Pour permettre une grande contrainte dans la couche semi-conductrice, Yiping Wang, un étudiant diplômé du laboratoire de Shi, dioxyde de vanadium modifié, ajouter et retirer des atomes d'oxygène du matériau en contrôlant la pression partielle d'oxygène pendant le dépôt chimique en phase vapeur du dioxyde de vanadium lorsqu'il croît sur un cristal de saphir.

Les réseaux de nanoforêts « conçus par défaut » résultants de dioxyde de vanadium ont un grand changement structurel sous un stimulus de température, et peut traverser non pas une mais trois transitions de phase, leur permettant d'ajuster plus précisément la quantité de pression exercée sur le semi-conducteur.

Cette approche non conventionnelle, montre que la douceur mécanique des cristaux semi-conducteurs pourrait être une clé pour le succès de l'ingénierie des contraintes. Avec un semi-conducteur plus doux, une interface modérée, et un substrat plus dynamique, les chercheurs ont pu modifier dynamiquement les propriétés physiques du semi-conducteur de manière réversible à l'échelle nanométrique. La pression délivrée s'est avérée suffisamment importante pour déclencher une transition de phase structurelle et électronique dans le cristal semi-conducteur. Une telle transition dans ce cristal a été démontrée sous haute pression en utilisant une approche différente mais technologiquement peu pratique.