Dans un exemple de l'adage "tout ce qui est ancien est à nouveau nouveau", les ingénieurs du MIT rapportent une nouvelle découverte dans les semi-conducteurs, des matériaux bien connus qui font l'objet d'études intenses depuis plus de 100 ans grâce à leurs nombreuses applications dans les appareils électroniques.

L'équipe a découvert que ces matériaux importants deviennent non seulement beaucoup plus rigides en réponse à la lumière, mais que l'effet est réversible lorsque la lumière est éteinte. Les ingénieurs expliquent également ce qui se passe à l'échelle atomique et montrent comment l'effet peut être réglé en fabriquant les matériaux d'une certaine manière (en introduisant des défauts spécifiques) et en utilisant différentes couleurs et intensités de lumière.

"Nous sommes enthousiasmés par ces résultats car nous avons découvert une nouvelle direction scientifique dans un domaine par ailleurs très bien rodé. De plus, nous avons découvert que le phénomène peut être présent dans de nombreux autres composés", déclare Rafael Jaramillo, le Thomas Lord Professeur agrégé de science et génie des matériaux au MIT et chef de l'équipe.

D'après Ju Li, un autre professeur du MIT impliqué dans les travaux, "voir des défauts ayant des effets aussi importants sur la réponse élastique est très surprenant, ce qui ouvre la porte à une variété d'applications. Le calcul pourrait nous aider à cribler beaucoup plus de matériaux de ce type". Li est professeur à la Battelle Energy Alliance en science et génie nucléaires (NSE) avec une nomination conjointe au Département de science et génie des matériaux (DMSE). Jaramillo et Li sont également affiliés au Laboratoire de recherche sur les matériaux.

Le travail est rapporté dans le numéro du 3 août de Physical Review Letters . L'article qui en a résulté a été mis en évidence en tant que suggestion des éditeurs. Il fait également l'objet d'un synopsis d'accompagnement pour Physics Magazine intitulé "Les semi-conducteurs à l'honneur", par Sophia Chen.

Les autres auteurs de l'article sont Jiahao Dong et Yifei Li, étudiants diplômés du DMSE qui ont contribué à parts égales au travail ; Yuying Zhou, un étudiant diplômé invité DMSE de l'Institut de physique appliquée de Shanghai ; Alan Schwartzman, chercheur au DMSE ; Haowei Xu, étudiante diplômée en SNG; et Bilal Azhar, un étudiant de premier cycle DMSE qui a obtenu son diplôme en 2020.

Problème intrigant

Jaramillo se souvient avoir été intrigué par un article de 2018 dans Science montrant comment un semi-conducteur composé de sulfure de zinc devient plus fragile lorsqu'il est exposé à la lumière. "Lorsque [les chercheurs] l'ont éclairé, il s'est comporté comme un cracker. Il s'est cassé. Lorsqu'ils ont éteint la lumière, il s'est comporté davantage comme un ours gommeux, où il pouvait être pressé sans se briser en morceaux."

Pourquoi? Jaramillo et ses collègues ont décidé de le découvrir.

En cours de route, l'équipe a non seulement reproduit les travaux de Science, mais a également montré que les semi-conducteurs modifiaient leur élasticité, une forme de rigidité mécanique, lorsqu'ils étaient exposés à la lumière.

"Pensez à une balle rebondissante", dit Jaramillo. "La raison pour laquelle il rebondit, c'est parce qu'il est élastique. Lorsque vous le jetez au sol, il se déforme mais revient immédiatement (c'est pourquoi il rebondit). Ce que nous avons découvert, ce qui était vraiment assez surprenant, c'est que les propriétés élastiques [des semi-conducteurs ] peut subir d'énormes changements sous l'éclairage, et que ces changements sont réversibles lorsque la lumière est éteinte."

Que se passe-t-il

Dans les travaux en cours, l'équipe a réalisé diverses expériences avec du sulfure de zinc et deux autres semi-conducteurs dans lesquels ils ont mesuré la rigidité des matériaux dans différentes conditions, telles que l'intensité lumineuse, en utilisant une technique sensible appelée nanoindentation. Dans cette technique, une pointe de diamant déplacée sur la surface du matériau enregistre la force nécessaire pour enfoncer la pointe dans les 100 nanomètres supérieurs, ou milliardièmes de mètre, de la surface.

Ils ont également effectué des simulations informatiques de ce qui pourrait se passer à l'échelle atomique, développant lentement une théorie de ce qui se passait. Ils ont découvert que les défauts, ou atomes manquants, dans les matériaux jouaient un rôle important dans la réponse mécanique des matériaux à la lumière.

"Ces postes vacants provoquent un ramollissement du réseau cristallin du matériau car certains des atomes sont plus éloignés. Pensez aux personnes dans un wagon de métro. Il est plus facile de faire entrer plus de personnes s'il y a de plus grands espaces entre elles", explique Jaramillo.

"Sous illumination, les atomes présents sont excités et deviennent plus répulsifs. C'est comme si ces gens dans le métro se mettaient soudainement à danser et à jeter leurs bras partout", a-t-il poursuivi. Résultat :les atomes résistent plus fortement à un tassement plus serré et le matériau devient mécaniquement plus rigide.

L'équipe a rapidement découvert qu'elle pouvait ajuster cette rigidité en modifiant l'intensité et la couleur de la lumière et en créant des défauts spécifiques dans les matériaux. "C'est bien quand vous pouvez réduire quelque chose à l'ingénierie des défauts, car vous pouvez alors vous connecter à l'une des compétences de base des scientifiques des matériaux, qui est le contrôle des défauts", a déclaré Jaramillo. "C'est à peu près ce que nous faisons dans la vie." + Explorer plus loin

Avancée majeure dans la création d'une nouvelle famille de matériaux semi-conducteurs

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.