Le molybdène/soufre bidimensionnel est un réseau hexagonal vu de dessus, mais vu sur le bord, comme c'est ici, sa forme à trois couches est apparente. Lorsque deux feuilles du matériau se rencontrent, des dislocations tridimensionnelles apparaissent aux joints de grains. Lorsque les feuilles se rencontrent à un angle de 60 degrés, ces frontières sont métalliques, et conducteur. Crédit :Groupe Yakobson/Université Rice
(Phys.org) - Une nouvelle structure matérielle prédite à l'Université Rice offre la possibilité alléchante d'un chemin de signal plus petit que les nanofils pour l'électronique de pointe actuellement en cours de développement à Rice et ailleurs.
Le physicien théoricien Boris Yakobson et le boursier postdoctoral Xiaolong Zou étudiaient les propriétés à l'échelle atomique des matériaux bidimensionnels lorsqu'ils ont découvert à leur grande surprise qu'une formation particulière, un joint de grains en disulfures métalliques, crée un chemin métallique - et donc conducteur - d'une fraction de nanomètre de large seulement.
C'est essentiellement la largeur d'une chaîne d'atomes, dit Yakobson.
La découverte rapportée cette semaine dans le journal de l'American Chemical Society Lettres nano est né d'une enquête sur la façon dont les atomes sont énergétiquement liés les uns aux autres et forment des défauts topologiques dans les semi-conducteurs bidimensionnels. Dans des travaux récents, Le groupe de Yakobson a analysé les défauts du graphène, la feuille de carbone à un seul atome qui fait l'objet d'un examen minutieux par les laboratoires du monde entier.
Mais le graphène plat n'a pas de bande interdite; les électrons passent directement à travers. "Il y a beaucoup d'efforts pour ouvrir une brèche dans le graphène, mais ce n'est pas facile, " dit Yakobson, Karl F. Hasselmann de Rice, professeur de génie mécanique et de science des matériaux et professeur de chimie. "Les gens essaient de différentes manières, mais aucun d'eux n'est simple. Cela a motivé la recherche d'autres matériaux bidimensionnels."
Une illustration animée montre l'arrangement précis des atomes dans une dislocation possible dans le molybdène/soufre bidimensionnel. Les dislocations se produisent lorsque deux efflorescences croissantes de matière se rejoignent à des angles différents dans le dépôt chimique en phase vapeur. Sous un angle précis, les lignes le long desquelles ces dislocations se forment peuvent devenir conductrices. Crédit :Xiaolong Zou/Université du riz
Les matériaux molybdène/soufre (ou tungstène/soufre) deviennent intéressants pour les scientifiques car ils ont une bande interdite naturelle utile, environ deux électrons-volts dans le cas du molybdène/soufre. Et bien qu'il s'agisse de matériaux techniquement bidimensionnels, les énergies en jeu forcent leurs atomes à s'agencer en quinconce.
"C'est plus complexe que le graphène, " Yakobson a dit. " Il y a une couche de métal au milieu, avec des atomes de soufre au-dessus et au-dessous, mais ils sont entièrement connectés par des liaisons covalentes dans un réseau en nid d'abeille, donc c'est un composé."
Le dépôt chimique en phase vapeur est généralement utilisé pour faire croître un tel matériau; à haute température, les atomes (comme le carbone pour le graphène) s'alignent et forment des feuilles. Mais quand deux de ces fleurs apparaissent et qu'elles se rencontrent, ils ne s'alignent pas nécessairement. Où ils fusionnent, ils forment ce qu'on appelle des " joints de grains, " s'apparente à des grains de bois qui se rejoignent à des angles difficiles. (Pensez à une branche rencontrant un tronc d'arbre.) Ces joints de grains affectent les propriétés électriques du matériau fusionné.
Zou a calculé ces propriétés sur la base des énergies atomiques des éléments. En regardant les liens élémentaires, les chercheurs ont trouvé les "dislocations" attendues où les énergies forcent les atomes à sortir de leurs schémas réguliers. "Là où les draps se rencontrent, ils ne peuvent pas avoir une structure de réseau idéale, donc ils ont ces points de suture, les luxations. Chaque joint de grain n'est qu'une série de ces dislocations, " a déclaré Yakobson.
Ce n'est qu'une coïncidence si les dislocations ont pris des formes semblables à celles d'un dreidel pour un article publié pendant Hanoucca, il a dit.
"Nous avons trouvé de l'ordre dans cette complexité et ce chaos, les structures exactes possibles aux joints de grains et les types de dislocations, " il a dit.
The growing molybdenum/sulfur sheets can meet at any angle, and though the sheets are semiconducting, the boundaries between them generally stop electrical signals in their tracks. But at one particular angle—60 degrees—the periodic dislocations are close enough to pass signals on from one to the next along the length of the boundary. "Basically, they're metallic in this direction, " a déclaré Yakobson.
"So in the middle of these domains of semiconducting material, you have this boundary line that carries current in one direction, comme un fil. And it's only a few angstroms wide, " il a dit.
"Metal disulfides may be promising for future electronic devices based on materials with reduced dimensions, " Zou said. "It is important to understand the effects of topological defects on the electronic properties as we push toward post-silicon devices."
