Germanium, un semi-conducteur élémentaire, était le matériau de choix au début de l'histoire des appareils électroniques, avant d'être largement remplacé par le silicium. Mais en raison de sa mobilité élevée des porteurs de charge, trois fois supérieure à celle du silicium, le semi-conducteur fait un retour en force.

Le germanium (Ge) est généralement cultivé sur des substrats monocristallins coûteux, ajoutant un autre défi pour le rendre durablement viable pour la plupart des applications. Pour traiter cet aspect, des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute aux États-Unis démontrent une méthode d'épitaxie qui intègre les forces de van der Waals pour faire pousser du Ge sur du mica. Les applications pourraient inclure des circuits intégrés avancés et des cellules solaires à haut rendement.

"C'est la première fois que l'épitaxie van der Waals sans contrainte d'un semi-conducteur élémentaire est démontrée sur du mica, " a déclaré Aaron Littlejohn, Chercheur RPI et co-auteur de l'article démontrant le travail, publié récemment dans le Journal de physique appliquée .

La croissance de couches de film cristallin sur des substrats cristallins (appelée épitaxie) est omniprésente dans la fabrication de semi-conducteurs. Si les matériaux du film et du substrat sont les mêmes, alors les couches parfaitement appariées forment des liaisons chimiques fortes pour une mobilité optimale des porteurs de charge.

Superposer efficacement différents matériaux, cependant, est un défi car les réseaux cristallins ne s'alignent généralement pas. Pour contourner cela, les chercheurs ont employé les forces vdW, phénomènes qui reposent sur la nature probabiliste des électrons, qui ne sont pas en position fixe autour d'un noyau. Plutôt, ils peuvent être n'importe où, et la probabilité qu'ils soient inégalement répartis existe presque tout le temps. Quand cela arrive, il y a un dipôle induit :une légère charge positive d'un côté et une légère charge négative en face. Cela produit des interactions faiblement attractives entre les atomes neutres.

Les chercheurs ont choisi le mica comme substrat sur lequel faire croître le film de Ge en raison de sa surface atomiquement lisse, qui est exempt de liaisons pendantes (électrons de valence non appariés). Cela garantissait qu'aucune liaison chimique n'aurait lieu pendant le processus d'épitaxie vdW.

Au lieu, l'interface des matériaux est maintenue par des forces vdW faibles. Cela permet la croissance d'un film détendu malgré les structures cristallines radicalement différentes des deux matériaux qui ont une différence de 23 pour cent dans les espacements atomiques. En plus d'alléger les contraintes d'appariement de réseau, L'épitaxie vdW permet au film Ge d'être exfolié mécaniquement de la surface du mica et de se tenir seul en tant que film sans substrat.

"Notre film Ge pourrait être utilisé comme nanomembrane à couche mince, qui pourraient être intégrés dans des appareils électroniques plus facilement que les nanocristaux ou les nanofils, " a déclaré Littlejohn. " Il pourrait également servir de substrat pour le dépôt ultérieur de matériaux supplémentaires pour les transistors flexibles et les cellules solaires, ou même de l'optoélectronique portable."

Des films de géranium d'environ 80 nanomètres d'épaisseur ont été cultivés sur des substrats de mica muscovite à l'échelle millimétrique de 0,26 mm d'épaisseur. En faisant varier la température du substrat pendant le dépôt et le recuit dans la plage de 300 à 500 degrés Celsius, les chercheurs ont découvert que le réseau cristallin se stabilise à environ 425 degrés Celsius.

"Des recherches antérieures impliquent que les semi-conducteurs élémentaires ne peuvent pas être développés par épitaxie sur du mica en utilisant des forces vdW à n'importe quelle température élevée, mais nous avons maintenant montré le contraire, " a déclaré Littlejohn. " Avec le succès de notre film Ge cultivé sur du mica à une température pratique, nous prévoyons que d'autres matériaux élémentaires ou alliés non stratifiés peuvent être cultivés sur du mica par épitaxie vdW. »