Les progrès de notre ère électronique reposent sur notre capacité à contrôler la façon dont la charge électrique se déplace, du point A au point B, à travers des circuits. Cela demande une précision particulière, pour des applications allant des ordinateurs, capteurs d'images et cellules solaires, et cette tâche incombe aux semi-conducteurs.

Maintenant, une équipe de recherche des écoles d'ingénierie et des sciences appliquées et des arts et sciences de l'Université de Pennsylvanie a montré comment contrôler les caractéristiques de nanofils semi-conducteurs constitués d'un matériau prometteur :le séléniure de plomb.

Dirigé par Cherie Kagan, professeur dans les départements de génie électrique et des systèmes, Science et Génie des Matériaux et Chimie et co-directeur de Pennergy, Le centre de Penn s'est concentré sur le développement de technologies énergétiques alternatives, les recherches de l'équipe ont été principalement menées par David Kim, un étudiant diplômé du programme de science et génie des matériaux.

Les travaux de l'équipe ont été publiés en ligne dans la revue ACS Nano et sera présenté dans le podcast d'avril du Journal.

La contribution clé des travaux de l'équipe concerne le contrôle des propriétés conductrices des nanofils de séléniure de plomb dans les circuits. Les semi-conducteurs sont de deux types, n et p, se référant à la charge négative ou positive qu'ils peuvent porter. Ceux qui déplacent les électrons, qui ont une charge négative, sont appelés "type n". Leurs homologues de "type p" ne déplacent pas de protons mais plutôt l'absence d'un électron - un "trou" - ce qui équivaut à déplacer une charge positive.

Avant qu'ils ne soient intégrés dans les circuits, le nanofil semi-conducteur doit être « câblé » dans un appareil. Des électrodes métalliques doivent être placées aux deux extrémités pour permettre à l'électricité d'entrer et de sortir ; cependant, le "câblage" peut influencer les caractéristiques électriques observées des nanofils, si l'appareil semble être de type n ou de type p. Contamination, même de l'air, peut également influencer le type d'appareil. Grâce à une synthèse sans air rigoureuse, purification et analyse, ils ont gardé les nanofils propres, leur permettant de découvrir les propriétés uniques de ces nanomatériaux de séléniure de plomb.

Les chercheurs ont conçu des expériences leur permettant de séparer l'influence du "câblage" métallique sur le mouvement des électrons et des trous de celle du comportement intrinsèque des nanofils de séléniure de plomb. En contrôlant l'exposition du dispositif à nanofils semi-conducteurs à l'oxygène ou à l'hydrazine chimique, ils ont pu changer les propriétés conductrices entre le type p et le type n. Modification de la durée et de la concentration de l'exposition, le type de dispositif à nanofils pourrait être inversé.

"Si vous exposez les surfaces de ces structures, qui sont uniques aux matériaux nanométriques, vous pouvez les faire de type p, vous pouvez les faire de type n, et vous pouvez les faire quelque part entre les deux, où il peut conduire à la fois des électrons et des trous, " a déclaré Kagan. " C'est ce que nous appelons 'ambipolaire'. "

Les dispositifs combinant un semi-conducteur de type n et un semi-conducteur de type p sont utilisés dans de nombreuses applications de haute technologie, allant des circuits de l'électronique quotidienne, aux cellules solaires et thermoélectriques, qui peut convertir la chaleur en électricité.

"Réfléchir à la façon dont nous pouvons construire ces choses et tirer parti des caractéristiques des matériaux à l'échelle nanométrique est vraiment ce que cette nouvelle compréhension permet, " dit Kagan.

Déterminer les caractéristiques des matériaux à l'échelle nanométrique et leur comportement dans les structures de dispositifs sont les premières étapes dans l'attente de leurs applications.

Ces nanofils de séléniure de plomb sont intéressants car ils peuvent être synthétisés par des méthodes peu coûteuses en grandes quantités.

« Par rapport aux grosses machines dont vous avez besoin pour fabriquer d'autres dispositifs à semi-conducteurs, c'est nettement moins cher, " a déclaré Kagan. " Cela n'a pas l'air beaucoup plus compliqué que les cagoules que les gens reconnaîtraient lorsqu'ils ont dû suivre un laboratoire de chimie. "

En plus du faible coût, le processus de fabrication des nanofils de séléniure de plomb est relativement simple et cohérent.

"Vous n'avez pas besoin d'aller à des températures élevées pour obtenir des quantités massives de ces nanofils de séléniure de plomb de haute qualité, " a déclaré Kim. " Les techniques que nous utilisons sont à haut rendement et à haute pureté; nous pouvons tous les utiliser."

Et parce que les qualités conductrices des nanofils de séléniure de plomb peuvent être modifiées lorsqu'ils sont situés dans un appareil, ils ont un plus large éventail de fonctionnalités, contrairement aux semi-conducteurs traditionnels au silicium, qui doivent d'abord être "dopés" avec d'autres éléments pour les rendre "p" ou "n".

Le travail de l'équipe Penn est une étape vers l'intégration de ces nanomatériaux dans une gamme de dispositifs électroniques et optoélectroniques, comme les capteurs photo.