(Phys.org) —Dans une nouvelle recherche pionnière à l'Université de Columbia, les scientifiques ont développé des cristaux de haute qualité de bisulfure de molybdène (MoS2), le semi-conducteur le plus fin au monde, et étudié comment ces cristaux s'assemblent à l'échelle atomique pour former des feuilles continues. Grâce à de belles images d'étoiles et de triangles étonnamment symétriques de centaines de microns de diamètre, ils ont découvert des informations clés sur les propriétés optiques et électroniques de ce nouveau matériau, qui peut être soit conducteur soit isolant pour former le "commutateur marche-arrêt" de base pour toute l'électronique numérique. L'étude est publiée dans le 5 mai, 2013, problème de Matériaux naturels .
"Notre recherche est la première à examiner systématiquement quels types de défauts résultent de ces grandes croissances, et d'étudier comment ces défauts modifient ses propriétés, " dit James Hone, professeur de génie mécanique à Columbia Engineering, qui a dirigé l'étude. "Nos résultats aideront à développer des moyens d'utiliser ce nouveau matériau dans une électronique atomiquement mince qui deviendra des composants à part entière d'une toute nouvelle génération de produits révolutionnaires tels que des cellules solaires flexibles qui se conforment à la carrosserie d'une voiture."
Cette collaboration multidisciplinaire de l'Energy Frontier Research Center de l'Université Columbia avec le Kavli Institute for Nanoscale Science de l'Université Cornell s'est concentrée sur le bisulfure de molybdène en raison de son potentiel de créer n'importe quoi de très efficace, des cellules solaires flexibles aux écrans tactiles conformables. Des travaux antérieurs de Columbia ont démontré que la monocouche MoS2 a une structure électronique distincte de la forme en vrac, et les chercheurs sont enthousiastes à l'idée d'explorer d'autres dichalcogénures métalliques atomiquement minces, qui devrait avoir des propriétés tout aussi intéressantes. Le MoS2 appartient à une classe de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition, qui peuvent être des métaux, semi-conducteurs, diélectriques, et même des supraconducteurs.
"Ce matériau est le plus récent d'une famille croissante de cristaux bidimensionnels, " dit Arend van der Zande, chercheur au Columbia Energy Frontier Research Center et l'un des trois auteurs principaux de l'article. "Graphène, une seule feuille d'atomes de carbone, est le conducteur électrique le plus fin que nous connaissions. Avec l'ajout du disulfure de molybdène monocouche et d'autres dichalcogénures métalliques, nous avons tous les éléments constitutifs de l'électronique moderne qui doivent être créés sous une forme atomiquement mince. Par exemple, nous pouvons maintenant imaginer prendre en sandwich deux dichalcogénures de métaux de transition monocouches différents entre des couches de graphène pour fabriquer des cellules solaires de seulement huit atomes d'épaisseur, soit 20 000 fois plus petites qu'un cheveu humain !"
Jusqu'à l'année dernière, la majorité des expériences étudiant le MoS2 ont été réalisées par un processus appelé exfoliation mécanique, qui ne produit que des échantillons de quelques micromètres. "Bien que ces minuscules spécimens conviennent aux études scientifiques, " note Daniel Chenet, un doctorat dans le laboratoire de Hone et un autre auteur principal, "ils sont beaucoup trop petits pour être utilisés dans n'importe quelle application technologique. Il est essentiel de trouver comment faire pousser ces matériaux à grande échelle."
Pour étudier la matière, les chercheurs ont affiné une technique existante pour grossir, cristaux symétriques jusqu'à 100 microns de diamètre, mais seulement trois atomes d'épaisseur. "Si nous pouvions étendre l'un de ces cristaux à l'épaisseur d'une feuille de pellicule plastique, il serait assez grand pour couvrir un terrain de football et il n'y aurait pas d'atomes désalignés, " dit Pinshane Huang, un étudiant au doctorat dans le laboratoire David Muller à Cornell et le troisième auteur principal de l'article.
Pour une utilisation dans de nombreuses applications, ces cristaux doivent être réunis en feuilles continues comme des patchs sur une courtepointe. Les connexions entre les cristaux, appelés joints de grains, peut être aussi important que les cristaux eux-mêmes pour déterminer les performances du matériau à grande échelle. "Les joints de grains deviennent importants dans toute technologie, " dit Hone. " Dis, par exemple, nous voulons faire une cellule solaire. Maintenant, nous devons avoir des mètres de ce matériau, pas des micromètres, et cela signifie qu'il y aura des milliers de joints de grains. Nous devons comprendre ce qu'ils font pour pouvoir les contrôler."
L'équipe a utilisé la microscopie électronique à résolution atomique pour examiner les joints de grains de ce matériau, et vu des lignes d'atomes désalignés. Une fois qu'ils savaient où trouver les joints de grains, et à quoi ils ressemblaient, l'équipe a pu étudier l'effet d'un joint de grain unique sur les propriétés du MoS2. Pour faire ça, ils ont construit de minuscules transistors, le composant le plus basique de toute l'électronique, hors des cristaux et j'ai vu que le single, Une ligne d'atomes défectueuse aux joints de grains pourrait changer radicalement les propriétés électroniques et optiques clés du MoS2.
« Nous avons fait beaucoup de progrès dans le contrôle de la croissance de ce nouveau nanomatériau « merveille » et développons maintenant des techniques pour l'intégrer dans de nombreuses nouvelles technologies, " Hone ajoute. " Nous commençons à peine à effleurer la surface de ce que nous pouvons faire avec ces matériaux et quelles sont leurs propriétés. Par exemple, nous pouvons facilement retirer ce matériau du substrat de croissance et le transférer sur n'importe quelle surface arbitraire, ce qui nous permet de l'intégrer à grande échelle, électronique flexible et cellules solaires."
La synthèse cristalline, mesures optiques, mesures électroniques, et la théorie ont toutes été réalisées par des groupes de recherche à Columbia Engineering. La croissance et les mesures électriques ont été effectuées par le laboratoire Hone en génie mécanique; les mesures optiques ont été effectuées dans le laboratoire de physique de Tony Heinz. La modélisation structurelle et les calculs de structure électronique ont été réalisés par le laboratoire de chimie de David Reichman. La microscopie électronique a été réalisée par des experts en imagerie atomique dans le laboratoire David Muller de l'École de physique appliquée et d'ingénierie de l'Université Cornell, et l'Institut Kavli à Cornell pour la science à l'échelle nanométrique.
