Quatre-vingts ans après la prédiction théorique de la force nécessaire pour surmonter la liaison de van der Waals entre les couches d'un cristal, des chercheurs en ingénierie de l'université du Tohoku l'ont mesuré directement. Ils rapportent leurs résultats cette semaine dans le Journal de physique appliquée .

Dans sa preuve de concept, l'équipe a également créé des cristaux de séléniure de gallium plus durables. Cette réalisation pourrait faire avancer le développement des technologies térahertz et spintronique, utilisé dans une gamme d'applications allant de l'imagerie médicale aux ordinateurs quantiques.

"C'est la première fois que quelqu'un mesure directement la force de liaison de van der Waals dans les couches d'un cristal, " Tadao Tanabe, l'un des auteurs, mentionné. "Même les lycéens connaissent cette force, mais dans les cristaux, c'était très difficile à mesurer directement."

Bien que considérée comme prometteuse pour de nombreuses technologies, l'utilisation de cristaux de séléniure de gallium a été entravée par le fait qu'ils sont notoirement fragiles. Pour les rendre plus forts, L'équipe de Tanabe, y compris Yutaka Oyama, collègue du Département des sciences des matériaux, imaginé des cristaux en croissance avec de petites quantités de sélénium remplacées par l'élément rare tellure.

Les chercheurs ont supposé que le plus grand nuage d'électrons du tellure produirait des forces de van der Waals plus importantes entre les couches cristallines, renforcement de la structure globale. Van der Waals sont des forces électriques faibles qui attirent les atomes les uns aux autres par des changements subtils dans les configurations électroniques de l'atome.

L'équipe a développé et comparé trois types de cristaux différents :un séléniure de gallium pur, un avec 0,6 pour cent de tellure et un avec 10,6 pour cent de tellure. Pour tester l'effet du tellure sur le collage des intercalaires, l'équipe a inventé l'équivalent d'un ouvre-sandwich en cristal. Leur système est capable de mesurer avec des détails exquis la résistance à la traction, la force nécessaire pour tirer le cristal jusqu'à ce qu'il se brise.

"Le système d'essai de traction est très simple à certains égards, " a déclaré Tanabe. "Mais il était très difficile de développer un moyen d'identifier le point exact auquel le cristal s'est cassé."

Les cristaux testés avaient une largeur d'environ 3 millimètres, et seulement 1/5 de millimètre d'épaisseur, environ la moitié de l'épaisseur d'un morceau de papier d'imprimante standard. Chaque cristal est composé de centaines de couches individuelles.

L'équipe a utilisé du ruban adhésif double face spécial de chaque côté d'un cristal pour le maintenir entre une scène ancrée et une scène mobile qui pourrait être retirée lentement, à une vitesse de 50 millionièmes de mètre par seconde. "Cela nous a permis de mesurer très précisément la force intercalaire à laquelle le cristal s'est cassé, " dit Tanabe.

Les chercheurs ont découvert que la liaison intercouche de van der Waals dans les cristaux dopés au tellure était sept fois plus forte que dans les cristaux de séléniure de gallium pur.

Avec l'ajout de tellure, le cristal de séléniure de gallium mou et clivable devient rigide par augmentation de la force de liaison de van der Waals, les auteurs rapportent, ouvrant la voie à l'utilisation de ce système pour améliorer les technologies à base de cristal.