La découverte du graphène, un matériau d'une épaisseur d'un atome seulement et possédant une résistance exceptionnelle et d'autres propriétés nouvelles, a lancé une avalanche de recherches autour de son utilisation pour tout, de l'électronique à l'optique en passant par les matériaux de structure. Mais de nouvelles recherches suggèrent que ce n'était que le début :toute une famille de matériaux bidimensionnels pourrait ouvrir des possibilités encore plus larges pour des applications qui pourraient changer de nombreux aspects de la vie moderne.

Le dernier "nouveau" matériel, bisulfure de molybdène (MoS 2 ) — qui est effectivement utilisé depuis des décennies, mais pas sous sa forme 2-D — a été décrite pour la première fois il y a tout juste un an par des chercheurs en Suisse. Mais cette année-là, les chercheurs du MIT - qui ont lutté pendant plusieurs années pour construire des circuits électroniques à partir de graphène avec des résultats très limités (sauf pour les applications radiofréquences) - ont déjà réussi à fabriquer une variété de composants électroniques à partir de MoS 2 . Ils disent que le matériau pourrait aider à inaugurer des produits radicalement nouveaux, des murs entiers qui brillent aux vêtements avec électronique intégrée aux lunettes avec écrans d'affichage intégrés.

Un rapport sur la production de circuits électroniques complexes à partir du nouveau matériau a été publié en ligne ce mois-ci dans la revue Lettres nano ; l'article est rédigé par Han Wang et Lili Yu, étudiants diplômés du Département de génie électrique et informatique (EECS); Tomás Palacios, le professeur agrégé Emmanuel E. Landsman de l'EECS; et d'autres au MIT et ailleurs.

Palacios dit qu'il pense au graphène et au MoS 2 ne sont que le début d'un nouveau domaine de recherche sur les matériaux bidimensionnels. "C'est la période la plus excitante pour l'électronique au cours des 20 ou 30 dernières années, ", dit-il. "Cela ouvre la porte à un tout nouveau domaine des matériaux et appareils électroniques."

Comme le graphène, lui-même une forme 2-D de graphite, le bisulfure de molybdène est utilisé depuis de nombreuses années comme lubrifiant industriel. Mais il n'avait jamais été considéré comme une plate-forme 2D pour les appareils électroniques jusqu'à l'année dernière, lorsque des scientifiques de l'université suisse EPFL ont produit un transistor sur le matériau.

Les chercheurs du MIT sont rapidement passés à l'action :Yi-Hsien Lee, un post-doctorat dans le groupe du professeur agrégé Jing Kong à l'EECS, a trouvé un bon moyen de fabriquer de grandes feuilles du matériau en utilisant un procédé de dépôt chimique en phase vapeur. Lee a proposé cette méthode en travaillant avec Lain-Jong Li à l'Academia Sinica à Taïwan et l'a améliorée après son arrivée au MIT. Palacios, Wang et Yu se sont alors mis à produire des blocs de construction de circuits électroniques sur les feuilles fabriquées par Lee, ainsi que sur MoS 2 flocons produits par un procédé mécanique, qui ont été utilisées pour le travail décrit dans le nouveau document.

Wang avait eu du mal à construire des circuits sur le graphène pour sa recherche de thèse de doctorat, mais j'ai trouvé qu'il était beaucoup plus facile de le faire avec le nouveau matériel. Il y avait un « gros goulot d'étranglement » pour progresser avec le graphène, il explique, parce que ce matériau n'a pas de bande interdite - la propriété clé qui permet de créer des transistors, le composant de base des circuits logiques et de mémoire. Alors que le graphène doit être modifié de manière rigoureuse afin de créer une bande interdite, MoS 2 vient naturellement avec un.

L'absence de bande interdite, Wang explique, signifie qu'avec un interrupteur en graphène, "vous pouvez l'allumer, mais vous ne pouvez pas l'éteindre. Cela signifie que vous ne pouvez pas faire de logique numérique. » Ainsi, depuis des années, les gens recherchent un matériau qui partage certaines des propriétés extraordinaires du graphène, mais a aussi cette qualité manquante - comme le disulfure de molybdène.

Parce qu'il est déjà largement produit comme lubrifiant, et grâce aux travaux en cours au MIT et dans d'autres laboratoires pour en faire de grandes feuilles, l'intensification de la production du matériau pour des utilisations pratiques devrait être beaucoup plus facile qu'avec d'autres nouveaux matériaux, Wang et Palacios disent.

Wang et Palacios ont pu fabriquer une variété de dispositifs électroniques de base sur le matériau :un onduleur, qui commute une tension d'entrée à son contraire; une porte NAND, un élément logique de base qui peut être combiné pour effectuer presque n'importe quel type d'opération logique ; un dispositif de mémoire, l'un des composants clés de tous les dispositifs informatiques ; et un circuit plus complexe appelé oscillateur en anneau, composé de 12 transistors interconnectés, qui peut produire une sortie d'onde réglée avec précision.

Palacios dit qu'une application potentielle du nouveau matériel est les écrans grand écran tels que les téléviseurs et les écrans d'ordinateur, où un transistor séparé contrôle chaque pixel de l'affichage. Parce que le matériau n'a qu'une seule molécule d'épaisseur - contrairement au silicium hautement purifié qui est utilisé pour les transistors conventionnels et doit avoir une épaisseur de millions d'atomes - même un très grand écran n'utiliserait qu'une quantité infinitésimale de matières premières. Cela pourrait potentiellement réduire les coûts et le poids et améliorer l'efficacité énergétique.

À l'avenir, il pourrait également activer des types d'appareils entièrement nouveaux. Le matériel peut être utilisé, en combinaison avec d'autres matériaux 2D, pour fabriquer des appareils électroluminescents. Au lieu de produire une source de lumière ponctuelle à partir d'une ampoule, un mur entier pourrait briller, produire plus doux, lumière moins éblouissante. De la même manière, l'antenne et les autres circuits d'un téléphone portable peuvent être tissés dans du tissu, fournir une antenne beaucoup plus sensible qui nécessite moins de puissance et pourrait être incorporée dans les vêtements, dit Palacios.

Le matériau est si fin qu'il est complètement transparent, et il peut être déposé sur pratiquement n'importe quel autre matériau. Par exemple, MoS 2 pourrait être appliqué au verre, produire des présentoirs intégrés à une paire de lunettes ou à la fenêtre d'une maison ou d'un bureau.

Ali Javey, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique à l'Université de Californie à Berkeley, qui n'a pas participé à cette recherche, dit des matériaux en couches tels que le MoS 2 sont "une classe prometteuse de matériaux pour l'électronique future, " mais prévient que " l'avenir s'annonce prometteur pour les semi-conducteurs en couches, mais il reste encore du travail à faire pour mieux comprendre leurs limites de performances et leur fabrication à grande échelle."

Globalement, Javey dit, la recherche de l'équipe du MIT est un travail "élégant" qui "fait un pas en avant important dans l'avancement du domaine des semi-conducteurs en couches".

En plus de Palacios, Kong, Wang, Yu et Lee, le travail a été réalisé par l'étudiant diplômé Allen Hsu et l'affilié du MIT Yumeng Shi, avec les chercheurs du Laboratoire de recherche de l'armée américaine Matthew Chin et Madan Dubey, et Lain-Jong Li de l'Academia Sinica à Taïwan. Le travail a été financé par l'Office of Naval Research des États-Unis, le Centre de concentration pour les matériaux de la Microelectronics Advanced Research Corporation, la National Science Foundation et le Army Research Laboratory.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.