Une image au microscope électronique à transmission à balayage révèle un beau motif périodique (appelé "motif de moiré") résultant du super-réseau épitaxial de tellurure de chrome/diséléniure de tungstène ; superposé est le modèle atomique du super-réseau. Crédit :Mengying Bian et Liang Zhu
Les scientifiques ont développé des films minces de deux matériaux cristallins différents l'un sur l'autre en utilisant une technique innovante appelée "épitaxie dative". Les chercheurs ont découvert la méthode par surprise.
Comme l'explique Hao Zeng, physicien de l'Université de Buffalo, l'épitaxie dative maintient ensemble des couches de différents matériaux via une faible force d'attraction entre les matériaux, associée à des liaisons chimiques occasionnelles appelées "liaisons datives".
"Je compare cela à la pose de parquet dans votre maison", explique Zeng, professeur de physique à l'UB College of Arts and Sciences. "Vous mettez quelques clous pour ancrer les planches de bois sur la surface. Les liens datifs sont comme ces clous."
La recherche est passionnante, dit Zeng, car de nouvelles façons de superposer des films "pourraient avoir des impacts considérables dans les domaines des semi-conducteurs, de la technologie quantique et des énergies renouvelables".
Zeng et ses collègues rendent compte de l'épitaxie dative dans un article de mars dans Advanced Materials .
Une découverte "fortuite"
"Nous n'avons pas commencé avec l'idée de l'épitaxie dative", explique Zeng. "Je dirais que c'était une découverte fortuite. Initialement, nous essayions de développer des aimants atomiquement minces sur une couche de matériau de van der Waals, qui agit comme un modèle pour favoriser la croissance 2D."
Dans le cadre de cette fabrication d'aimants, Bian, chercheur postdoctoral en physique à l'UB, a développé une couche super fine de tellurure de chrome sur une "monocouche" super fine de diséléniure de tungstène.
Une image au microscope montre de nombreux cristaux de tellurure de chrome ultra-minces cultivés sur du diséléniure de tungstène. L'alignement net des cristaux les uns avec les autres est une indication de l'épitaxie dative, la méthode par laquelle les cristaux ont été cultivés. Crédit :Mengying Bian
Les scientifiques pensaient que les deux films ne seraient maintenus ensemble que par une faible attraction entre les matériaux, connue sous le nom de force de van der Waals. Mais un coup d'œil au microscope a révélé quelque chose d'inattendu.
"Lorsque Mengying est entré dans le bureau et m'a montré cette très belle image au microscope, nous avons immédiatement réalisé qu'il y avait quelque chose d'inhabituel", se souvient Zeng. "Les cristaux semblaient parfaitement alignés les uns avec les autres, et ce type d'alignement parfait suggérait que ce n'était peut-être pas l'épitaxie de van der Waals à laquelle nous nous attendions. Dans l'épitaxie de van der Waals, l'orientation des couches ne peut pas être contrôlée très précisément car les calques n'interagissent pas fortement les uns avec les autres."
Après une analyse expérimentale et théorique plus poussée, en collaboration avec Renat Sabirianov, Ph.D., de l'Université du Nebraska à Omaha, les chercheurs ont conclu qu'en plus de la force de van der Waals, des liaisons datives "sporadiques" reliaient les deux films.
Puis vint une autre surprise. Lorsque Zeng a recherché la littérature existante sur l'épitaxie dative, il n'en a trouvé qu'une seule:un travail théorique récent prédisant l'épitaxie de van der Waals améliorée par liaison dative. L'étude a été menée - encore une fois, par hasard - par son collaborateur de longue date au Rensselaer Polytechnic Institute, Shengbai Zhang, Ph.D. Zhang "était très heureux d'apprendre que notre découverte expérimentale vérifiait son hypothèse", a déclaré Zeng.
'Principe Boucle d'Or' de l'épitaxie
UB a déposé une demande de brevet provisoire pour les méthodes d'épitaxie dative et cherche à développer cette recherche grâce à une collaboration avec des partenaires industriels et de recherche. Zeng et Bian disent que la technique représente un « principe Boucle d'or » lorsqu'il s'agit de superposer des films cristallins.
Mengying Bian, chercheur postdoctoral en physique à l'UB, travaille avec un système de dépôt de couches minces à double chambre. Crédit :Douglas Levere / Université de Buffalo
L'épitaxie consiste à faire croître un matériau cristallin sur un autre substrat cristallin, avec une relation d'orientation bien définie entre eux. L'épitaxie conventionnelle exige que deux matériaux partagent un espacement de réseau similaire, ce qui a à voir avec la distance entre les atomes. L'épitaxie de Van der Waals surmonte cet obstacle mais peut conduire à une croissance des cristaux dans la mauvaise direction.
"L'épitaxie dative contourne les exigences strictes d'adaptation du réseau dans l'épitaxie conventionnelle, tout en tirant parti de la formation de liaisons chimiques spéciales pour fixer l'orientation du cristal", déclare Bian.
"L'épitaxie dative pourrait permettre de développer une gamme plus large de matériaux. Cela donne vraiment aux gens beaucoup de flexibilité et de choix", déclare Zeng. "C'est le principe Goldilocks en épitaxie :il capture les avantages des techniques d'épitaxie conventionnelles et van der Waals, mais résout les inconvénients des deux."
Compte tenu de ces avantages, dit Zeng, leur "technique pourrait ouvrir la porte à une croissance épitaxiale de haute qualité d'une variété de films minces semi-conducteurs composés, tels que, potentiellement, de l'arséniure de gallium ou du nitrure de gallium sur des tranches de silicium. L'intégration de ces matériaux est extrêmement importante pour l'industrie des semi-conducteurs, qui a été un défi de longue date en raison des limites des autres formes d'épitaxie." Ingénierie de déformation pilotée par le graphène pour permettre l'épitaxie sans déformation du film AlN pour la diode électroluminescente ultraviolette profonde
