La même charge électrostatique qui peut faire dresser les cheveux sur la tête et attacher des ballons aux vêtements pourrait être un moyen efficace de piloter les dispositifs de mémoire électronique atomiquement minces du futur, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie.

Dans une étude publiée aujourd'hui dans la revue La nature , les scientifiques ont trouvé un moyen de modifier de manière réversible la structure atomique d'un matériau 2D en injectant, ou "dopage, " avec des électrons. Le processus utilise beaucoup moins d'énergie que les méthodes actuelles pour changer la configuration de la structure d'un matériau.

"Nous montrons, pour la première fois, qu'il est possible d'injecter des électrons pour entraîner des changements de phase structurels dans les matériaux, " a déclaré le chercheur principal de l'étude Xiang Zhang, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur à l'UC Berkeley. "En ajoutant des électrons dans un matériau, l'énergie globale monte et fait pencher la balance, entraînant la réorganisation de la structure atomique selon un nouveau modèle plus stable. De telles transitions de phase structurelles induites par le dopage électronique à la limite 2-D ne sont pas seulement importantes en physique fondamentale; cela ouvre également la porte à une nouvelle mémoire électronique et à une commutation basse consommation dans la prochaine génération d'appareils ultra-minces."

Le basculement de la configuration structurelle d'un matériau d'une phase à une autre est fondamental, caractéristique binaire qui sous-tend les circuits numériques d'aujourd'hui. Les composants électroniques capables de cette transition de phase ont été réduits à des tailles aussi fines que du papier, mais ils sont toujours considérés comme en vrac, Couches 3D par des scientifiques. Par comparaison, Les matériaux monocouches 2-D sont composés d'une seule couche d'atomes ou de molécules dont l'épaisseur est de 100, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain.

"L'idée du dopage électronique pour modifier la structure atomique d'un matériau est unique aux matériaux 2D, qui sont beaucoup plus réglables électriquement par rapport aux matériaux en vrac 3D, " a déclaré Jun Xiao, co-auteur principal de l'étude, un étudiant diplômé du laboratoire de Zhang.

L'approche classique pour conduire la transition structurelle des matériaux consiste à chauffer à plus de 500 degrés Celsius. De telles méthodes consomment beaucoup d'énergie et ne sont pas réalisables pour des applications pratiques. En outre, l'excès de chaleur peut réduire considérablement la durée de vie des composants des circuits intégrés.

Un certain nombre de groupes de recherche ont également étudié l'utilisation de produits chimiques pour modifier la configuration des atomes dans les matériaux semi-conducteurs, mais ce processus est encore difficile à contrôler et n'a pas été largement adopté par l'industrie.

"Ici, nous utilisons le dopage électrostatique pour contrôler la configuration atomique d'un matériau bidimensionnel, " a déclaré Ying Wang, co-auteur principal de l'étude, un autre étudiant diplômé dans le laboratoire de Zhang. « Par rapport à l'utilisation de produits chimiques, notre méthode est réversible et exempte d'impuretés. Il a un plus grand potentiel d'intégration dans la fabrication de téléphones portables, ordinateurs et autres appareils électroniques.

Les chercheurs ont utilisé le ditellurure de molybdène (MoTe2), un semi-conducteur 2-D typique, et l'enrober d'un liquide ionique (DEME-TFSI), qui a une capacité ultra-élevée, ou la capacité de stocker des charges électriques. La couche de liquide ionique a permis aux chercheurs d'injecter le semi-conducteur avec des électrons à une densité de cent mille milliards à mille milliards par centimètre carré. Il s'agit d'une densité électronique d'un à deux ordres de grandeur supérieure à ce qui pourrait être obtenu dans des matériaux en vrac 3-D, les chercheurs ont dit.

Grâce à l'analyse spectroscopique, les chercheurs ont déterminé que l'injection d'électrons a changé la disposition des atomes du ditellurure de molybdène d'une forme hexagonale à une forme monoclinique, qui a plus une forme cuboïde inclinée. Une fois les électrons rétractés, la structure cristalline est revenue à son motif hexagonal d'origine, montrant que la transition de phase est réversible. De plus, ces deux types d'arrangements atomiques ont des symétries très différentes, offrant un grand contraste pour les applications dans les composants optiques.

"Un tel appareil atomiquement mince pourrait avoir une double fonction, servant à la fois de transistors optiques ou électriques, et ainsi élargir les fonctionnalités de l'électronique utilisée dans notre vie quotidienne, " dit Wang.