Pour voir ce qui motive le comportement exotique de certains matériaux atomiquement minces - ou 2-D -, et découvrez ce qui se passe lorsqu'elles sont empilées comme des briques Lego dans différentes combinaisons avec d'autres matériaux ultrafins, les scientifiques veulent observer leurs propriétés aux plus petites échelles possibles.

Entre MAESTRO, une plate-forme de nouvelle génération pour les expériences de rayons X à la source lumineuse avancée (ALS) du laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie (Berkeley Lab), qui fournit de nouvelles vues à micro-échelle de ce monde étrange en 2D.

Dans une étude publiée le 22 janvier dans la revue Physique de la nature , les chercheurs se sont concentrés sur les signatures du comportement exotique des électrons dans un matériau 2D avec une résolution microscopique.

Les nouvelles connaissances tirées de ces expériences montrent que les propriétés du matériau semi-conducteur 2D qu'ils ont étudié, appelé disulfure de tungstène (WS2), peut être hautement ajustable, avec des applications possibles pour l'électronique et d'autres formes de stockage d'informations, En traitement, et transfert.

Ces applications pourraient inclure des dispositifs de nouvelle génération issus de domaines de recherche émergents comme la spintronique, excitonique et valleytronics. Dans ces domaines, les chercheurs cherchent à manipuler des propriétés telles que la quantité de mouvement et les niveaux d'énergie des électrons et des particules homologues d'un matériau afin de transporter et de stocker plus efficacement les informations - de la même manière que l'inversion des uns et des zéros dans la mémoire informatique conventionnelle.

Spintronique, par exemple, repose sur le contrôle d'une propriété inhérente des électrons connue sous le nom de spin, plutôt que leur charge; l'excitonique pourrait multiplier les porteurs de charge dans les dispositifs pour améliorer l'efficacité des panneaux solaires et de l'éclairage LED; et la valletronics utiliserait les séparations dans les structures électroniques d'un matériau en tant que poches distinctes ou « vallées » pour stocker des informations.

Le signal qu'ils ont mesuré à l'aide de MAESTRO (Observatoire des structures microscopiques et électroniques) a révélé une séparation sensiblement accrue entre deux niveaux d'énergie, ou "groupes, " associé à la structure électronique du matériau. Cette augmentation de la division est de bon augure pour son utilisation potentielle dans les dispositifs de spintronique.

WS2 est déjà connu pour interagir fortement avec la lumière, trop. Les nouvelles découvertes, couplé à ses propriétés précédemment connues, en font un candidat prometteur pour l'optoélectronique, dans lequel l'électronique peut être utilisée pour contrôler la libération de la lumière, et vice versa.

"Ces propriétés pourraient être très intéressantes sur le plan technologique, " a déclaré Chris Jozwiak, un scientifique de l'ALS qui a codirigé l'étude. Les dernières recherches "montrent en principe la capacité de modifier ces propriétés clés avec des champs électriques appliqués dans un appareil".

Il ajouta, "La capacité de concevoir les caractéristiques des structures électroniques de ce matériau et d'autres pourrait être très utile pour réaliser certaines de ces possibilités. Nous sommes actuellement sur le point de pouvoir étudier une grande variété de matériaux, et de mesurer leur comportement électronique et d'étudier comment ces effets se développent à des échelles encore plus petites."

L'étude suggère également que les trions, qui sont des combinaisons exotiques à trois particules d'électrons et d'excitons (paires liées d'électrons et leurs homologues de charges opposées « trous »), pourrait expliquer les effets qu'ils ont mesurés dans le matériau 2-D. Les trous et les électrons servent tous deux de porteurs de charge dans les semi-conducteurs trouvés dans les appareils électroniques populaires.

Les chercheurs ont utilisé une forme d'ARPES (spectroscopie de photoémission à résolution angulaire) sur la ligne de lumière MAESTRO pour éliminer les électrons des échantillons avec des rayons X et en apprendre davantage sur la structure électronique des échantillons à partir de la direction et de l'énergie des électrons éjectés. La technique peut résoudre la façon dont les électrons du matériau interagissent les uns avec les autres.

"Il y a très peu d'observations directes d'une particule interagissant avec deux ou plusieurs autres particules, " dit Eli Rotenberg, un scientifique senior de l'ALS qui a conceptualisé MAESTRO il y a plus de dix ans. Il a été construit dans le but d'observer directement de telles interactions "à plusieurs corps" en détail qui n'étaient pas possibles auparavant, il a dit. "C'est ce que nous recherchions lorsque nous avons construit la ligne de lumière MAESTRO."

MAESTRO, ouvert aux scientifiques en 2016, dispose également de plusieurs stations qui permettent aux chercheurs de fabriquer et de manipuler des échantillons pour les études aux rayons X tout en maintenant des conditions vierges qui les protègent de la contamination. MAESTRO est l'une des dizaines de lignes de rayons X de l'ALS spécialisées dans les échantillons allant des protéines et des vaccins aux batteries et aux météorites.

En plus des mesures précises de MAESTRO, la préparation minutieuse des flocons de disfulfide de tungstène en taille suffisante pour l'étude, et leur transfert sur un matériau de base (substrat) qui n'entrave pas leurs propriétés électroniques ou n'obstruent pas les mesures aux rayons X ont également été essentiels au succès de la dernière étude, a noté Jozwiak.

Jyoti Katoch, l'auteur principal de l'étude et chercheur à l'Ohio State University, mentionné, « Les matériaux bidimensionnels sont extrêmement sensibles à leur environnement, il est donc impératif de bien comprendre le rôle de toute perturbation extérieure qui affecte leurs propriétés. »

Katoch a travaillé avec Roland Kawakami, professeur de physique à l'Ohio State, dans la préparation des échantillons et la conception de l'expérience. Ils ont couplé des échantillons de WS2 au nitrure de bore, qui fournissait une écurie, plate-forme sans interaction qui était cruciale pour les mesures aux rayons X. Ensuite, ils ont utilisé un métal comme "bouton externe" pour modifier les propriétés du WS2.

"Cette étude permet deux avancées décisives :elle fournit une compréhension fondamentale claire de la façon d'éliminer les effets extérieurs lors de la mesure des propriétés intrinsèques des matériaux 2D, et cela nous permet d'ajuster les propriétés des matériaux 2D en modifiant simplement leur environnement."

Søren Ulstrup, un professeur assistant à l'Université d'Aarhus qui avait travaillé sur les expériences WS2 MAESTRO en tant que chercheur postdoctoral, ajoutée, "Voir les propriétés électroniques intrinsèques des échantillons WS2 a été une étape importante, mais la plus grande surprise de cette étude est peut-être apparue lorsque nous avons commencé à augmenter le nombre d'électrons dans le système - un processus appelé dopage.

"Cela a conduit au changement radical de la division de la structure de bande de WS2, " il a dit, ce qui suggère la présence de trions.

MAESTRO peut traiter de très petites tailles d'échantillons, de l'ordre de quelques dizaines de microns, a noté Rotenberg, ce qui est également une clé dans l'étude de ce matériau et d'autres matériaux 2D. « Il y a un grand effort pour résoudre les propriétés des matériaux à des échelles de plus en plus petites, " il a dit, pour mieux comprendre les propriétés fondamentales des matériaux 2D, et les scientifiques travaillent maintenant pour pousser les capacités de MAESTRO à étudier des caractéristiques encore plus petites - jusqu'à l'échelle nanométrique.

Il y a une accélération de la R&D dans l'empilement de couches 2D pour adapter leurs propriétés à des applications spécialisées, Jozwiak a dit, et MAESTRO est bien adapté pour mesurer les propriétés électroniques de ces matériaux empilés, trop.

« On voit un impact très explicite sur les propriétés en combinant deux matériaux, et nous pouvons voir comment ces effets changent lorsque nous changeons les matériaux que nous combinons, " il a dit.

"Il y a une infinité de possibilités dans ce monde de '2-D Legos, ' et maintenant nous avons une autre fenêtre sur ces comportements fascinants."