Au fur et à mesure que l'électronique devient plus petite, les chercheurs recherchent des composants minuscules qui fonctionnent de manière fiable dans des configurations de plus en plus étroites. Les éléments prometteurs comprennent les composés chimiques séléniure d'indium (InSe) et séléniure de gallium (GaSe). Sous forme de couches ultra-fines, ils forment des semi-conducteurs bidimensionnels (2-D). Mais, jusque là, ils n'ont guère été utilisés car ils se dégradent au contact de l'air lors de la fabrication. Maintenant, une nouvelle technique permet d'intégrer le matériau sensible dans des composants électroniques sans perdre ses propriétés recherchées. La méthode, qui a été décrit dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS , a été développé par Himani Arora, doctorant en physique au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

"Nous avons réussi à fabriquer des transistors encapsulés à base de séléniure d'indium et de séléniure de gallium, " rapporte le Dr Artur Erbe, chef du groupe Transport dans les nanostructures à l'Institut de recherche sur la physique et les matériaux des faisceaux d'ions du HZDR. "La technique d'encapsulation protège les couches sensibles des impacts extérieurs et préserve ses performances."

Pour l'encapsulation, les scientifiques utilisent du nitrure de bore hexagonal (hBN). Il est idéal à cet effet car il peut être formé en une couche mince et est également inerte, il ne réagit donc pas à son environnement.

Les séléniures d'indium et de gallium sont considérés comme des candidats prometteurs pour diverses applications dans des domaines tels que l'électronique haute fréquence, l'optoélectronique et la technologie des capteurs. Ces matériaux peuvent être transformés en films semblables à des flocons de seulement cinq à 10 couches atomiques d'épaisseur, qui peut être utilisé pour produire des composants électroniques de très petites dimensions.

Lors de l'encapsulation, les paillettes 2-D sont disposées entre deux couches de nitrure de bore hexagonal et ainsi complètement enfermées. La couche supérieure de hBN est responsable de l'isolation vers l'extérieur, l'inférieur pour maintenir la distance au substrat. La technique a été développée à l'origine par le groupe de James Hone à l'Université Columbia à New York où Himani Arora l'a apprise lors d'une visite de recherche. Le doctorant a ensuite continué à travailler sur le sujet au NanoNet de l'École internationale de recherche Helmholtz (IHRS) du HZDR.

Application de contacts sans lithographie

L'un des défis particulièrement importants posés par la technique d'encapsulation était d'appliquer des contacts externes aux semi-conducteurs. La méthode habituelle de dépôt par évaporation à l'aide d'un photomasque est inadaptée, car pendant ce processus, les matériaux sensibles entrent en contact à la fois avec des produits chimiques et avec l'air et se dégradent ainsi. Les chercheurs du HZDR ont donc utilisé une technique de contact sans lithographie impliquant des électrodes métalliques en palladium et en or noyées dans une feuille de hBN. Cela signifie que l'encapsulation et le contact électrique avec la couche 2D sous-jacente peuvent être réalisés simultanément.

« Afin de produire les contacts, le motif d'électrode souhaité est gravé sur la couche de hBN de sorte que les trous créés puissent être remplis de palladium et d'or au moyen d'une évaporation par faisceau d'électrons, " explique Himani Arora. " Ensuite, vous laminez la feuille hBN avec les électrodes sur le flocon 2-D. " Lorsqu'il y a plusieurs contacts sur une plaquette hBN, le contact avec plusieurs circuits peut être établi et mesuré. Pour une application ultérieure, les composants seront empilés en couches.

Comme les expériences l'ont montré, l'encapsulation complète avec du nitrure de bore hexagonal protège les couches 2D de la décomposition et de la dégradation et garantit une qualité et une stabilité à long terme. La technique d'encapsulation développée au HZDR est robuste et facile à appliquer à d'autres matériaux 2-D complexes. Cela ouvre de nouvelles voies pour les études fondamentales ainsi que pour l'intégration de ces matériaux dans des applications technologiques. Les nouveaux semi-conducteurs bidimensionnels sont peu coûteux à produire et peuvent être utilisés pour diverses applications telles que les détecteurs qui mesurent les longueurs d'onde de la lumière. Un autre exemple d'utilisation serait en tant que coupleurs entre la lumière et le courant électronique en générant de la lumière ou en commutant des transistors à l'aide de la lumière.