Des scientifiques de l'Université Rice et du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) ont avancé vers l'objectif de l'électronique bidimensionnelle avec une méthode pour contrôler la croissance de couches atomiques uniformes de bisulfure de molybdène (MDS).

MDS, un semi-conducteur, fait partie d'une trilogie de matériaux nécessaires à la fabrication de composants électroniques 2D fonctionnels. Ils pourraient un jour être à la base de la fabrication d'appareils si petits qu'ils seraient invisibles à l'œil nu.

L'ouvrage paraît en ligne cette semaine dans Matériaux naturels .

Les laboratoires Rice de l'enquêteur principal Jun Lou, Pulickel Ajayan et Boris Yakobson, tous les professeurs du département de génie mécanique et de science des matériaux de l'université, a collaboré avec Wigner Fellow Wu Zhou et le scientifique Juan-Carlos Idrobo à ORNL dans une initiative inhabituelle qui a incorporé des travaux expérimentaux et théoriques.

Les objectifs étaient de voir si grand, haute qualité, Des feuilles de MDS atomiquement minces pourraient être cultivées dans un four de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et analyser leurs caractéristiques. L'espoir est que le MDS puisse être associé au graphène, qui n'a pas de bande interdite, et le nitrure de bore hexagonal (hBN), un isolant, pour former des transistors à effet de champ, circuits logiques intégrés, photodétecteurs et optoélectronique flexible.

"Pour des circuits vraiment atomiques, c'est important, " dit Lou. " Si nous faisons fonctionner ce matériel, alors nous aurons un ensemble de matériaux pour jouer avec pour terminer, appareils compliqués."

L'année dernière, Lou et Ajayan ont révélé leur succès dans la création de motifs complexes d'entrelacement de graphène et de hBN, parmi eux l'image de la mascotte chouette de Rice. Mais il manquait encore une pièce pour que les matériaux soient des partenaires à part entière dans les applications électroniques avancées. D'ici là, les chercheurs étaient déjà bien avancés dans leur étude du MDS en tant que solution semi-conductrice.

"Les matériaux bidimensionnels ont pris leur envol, " a déclaré Ajayan. " L'étude du graphène a suscité des recherches sur de nombreux matériaux 2D; le bisulfure de molybdène n'est que l'un d'entre eux. Essentiellement, nous essayons de couvrir toute la gamme des bandes interdites entre le graphène, qui est un semi-métal, et l'isolant en nitrure de bore."

Le MDS est distinct du graphène et du hBN car il n'est pas exactement plat. Le graphène et le hBN sont plats, avec des réseaux d'hexagones formés par leurs atomes constitutifs. Mais alors que le MDS semble hexagonal vu d'en haut, c'est en fait une pile, avec une couche d'atomes de molybdène entre deux couches d'atomes de soufre.

Co-auteur Zheng Liu, un chercheur scientifique commun dans les laboratoires de Lou et Ajayan, a noté que le groupe Yakobson a prédit que le MDS et les atomes de carbone se lieraient. "Nous y travaillons, " a-t-il dit. " Nous aimerions coller le graphène et le MDS ensemble (avec hBN) dans ce qui serait un roman, Composant semi-conducteur 2-D."

« La question est maintenant de savoir comment rassembler tous les matériaux 2D, " a déclaré le co-auteur Sina Najmaei, un étudiant diplômé de Rice. "Ce sont des espèces très différentes et elles sont cultivées dans des environnements très différents."

Jusque récemment, la croissance du MDS sous une forme utilisable a été difficile. La méthode du "scotch tape" pour extraire les couches d'un échantillon en vrac a été essayée, mais les matériaux résultants étaient incohérents, dit Lou. Les premières expériences de CVD ont produit des MDS avec des grains trop petits pour être utiles pour leurs propriétés électriques.

Mais dans le processus, les chercheurs ont remarqué que des « îlots » de MDS avaient tendance à se former dans le four où des défauts voire des morceaux de poussière apparaissaient sur le substrat. « Le matériau est difficile à nucléer, contrairement au hBN ou au graphène, " a déclaré Najmaei. " Nous avons commencé à apprendre que nous pouvions contrôler cette nucléation en ajoutant des bords artificiels au substrat, et maintenant ça va beaucoup mieux entre ces structures."

"Maintenant, nous pouvons faire pousser des grains jusqu'à 100 microns, " dit Lou. C'est encore à peu près la largeur d'un cheveu humain, mais dans le domaine nanométrique, c'est assez grand pour travailler avec, il a dit.

Une fois que les équipes d'Ajayan et de Lou ont été en mesure de développer de si grandes baies de MDS, l'équipe de l'ORNL a imagé les structures atomiques à l'aide d'une microscopie électronique à transmission à balayage avec correction des aberrations. Le réseau atomique est clairement visible sur les images et, plus important, il en va de même pour les défauts qui altèrent les propriétés électroniques du matériau.

"Afin d'améliorer les propriétés des matériaux 2D, il est important de comprendre d'abord comment ils sont assemblés à une échelle fondamentale, ", a déclaré Idrobo. "Notre installation de microscopie à l'ORNL nous permet de voir les matériaux d'une manière qu'ils n'ont jamais vue auparavant, jusqu'au niveau des atomes individuels."

Yakobson, un physicien théoricien, et son équipe se spécialisent dans l'analyse de l'interaction de l'énergie à l'échelle atomique. Avec les images de l'ORNL en main, ils étaient non seulement capables de calculer les énergies d'un ensemble de défauts beaucoup plus complexe que ceux trouvés dans le graphène ou le BN, mais pouvaient également faire correspondre leurs nombres aux images.

Parmi les découvertes intéressantes de l'équipe Yakobson figurait l'existence, rapporté l'année dernière, de "fils" subnano conducteurs le long des joints de grains dans le MDS. D'après leurs calculs, l'effet ne se produisait que lorsque les grains se rencontraient à des angles précis de 60 degrés. Les images de microscopie électronique ORNL permettent de visualiser directement ces joints de grains.

Les chercheurs de Rice voient de nombreuses façons possibles de combiner les matériaux, non seulement en couches bidimensionnelles, mais aussi sous forme d'empilements tridimensionnels. "Les cristaux naturels sont constitués de structures liées par la force de van der Waals, mais ils sont tous de la même composition, " a dit Lou. " Maintenant, nous avons la possibilité de construire des cristaux 3-D avec différentes compositions. "

"Ce sont des matériaux très différents, avec des propriétés électroniques et des bandes interdites différentes. Mettre l'un sur l'autre nous donnerait un nouveau type de matériau que nous appelons les solides de van der Waals, " Ajayan a dit. " Nous pourrions les mettre ensemble dans n'importe quel ordre d'empilement dont nous avons besoin, ce qui serait une nouvelle approche intéressante en science des matériaux.