Des chercheurs de Columbia Engineering ont démontré expérimentalement pour la première fois qu'il est possible de contacter électriquement un matériau bidimensionnel (2D) atomiquement mince uniquement le long de son bord unidimensionnel (1D), plutôt que de le contacter par le haut, qui a été l'approche conventionnelle. Avec cette nouvelle architecture de contact, ils ont développé une nouvelle technique d'assemblage des matériaux stratifiés qui évite la contamination aux interfaces, et, en utilisant le graphène comme matériau modèle 2D, montrent que ces deux méthodes combinées donnent le graphène le plus propre jamais réalisé. L'étude est publiée dans Science le 1er novembre 2013.

"Il s'agit d'un nouveau paradigme passionnant dans l'ingénierie des matériaux où, au lieu de l'approche conventionnelle de la croissance couche par couche, les matériaux hybrides peuvent désormais être fabriqués par assemblage mécanique de cristaux 2D constitutifs, " déclare le professeur de génie électrique Ken Shepard, co-auteur de l'article. "Aucun autre groupe n'a réussi à obtenir une géométrie de contact de bord pure avec des matériaux 2D tels que le graphène."

Il ajoute que des efforts antérieurs ont cherché à améliorer les « contacts supérieurs » par une ingénierie supplémentaire, comme l'ajout de dopants :plus de possibilités dans la poursuite d'applications de dispositifs et d'explorations en physique fondamentale."

Isolé pour la première fois en 2004, Le graphène est le matériau 2D le mieux étudié et a fait l'objet de milliers d'articles étudiant son comportement électrique et ses applications. "Mais dans presque tout ce travail, les performances du graphène sont dégradées par l'exposition à la contamination, " note le professeur de génie mécanique James Hone qui est également co-auteur de l'étude. " Il s'avère que les problèmes de contamination et de contact électrique sont liés. Tout matériel électronique performant doit être encapsulé dans un isolant pour le protéger de l'environnement. Le graphène n'a pas la capacité de créer des liaisons hors du plan, ce qui rend difficile le contact électrique à travers sa surface, mais empêche également la liaison aux isolants 3D conventionnels tels que les oxydes. Au lieu, les meilleurs résultats sont obtenus en utilisant un isolant 2D, qui n'a pas besoin de faire de liaisons à sa surface. Cependant, il n'y avait aucun moyen d'accéder électriquement à une feuille de graphène entièrement encapsulée jusqu'à présent."

Dans ce travail, dit Cory Dean, qui a dirigé la recherche en tant que post-doctorant à Columbia et est maintenant professeur assistant au City College de New York, l'équipe a résolu à la fois les problèmes de contact et de contamination. "L'un des plus grands atouts des matériaux 2D tels que le graphène est qu'il n'a qu'un atome d'épaisseur, nous avons un accès direct à ses propriétés électroniques. À la fois, cela peut être l'une de ses pires caractéristiques car cela rend le matériau extrêmement sensible à son environnement. Toute contamination externe dégrade rapidement les performances. La nécessité de protéger le graphène des désordres indésirables, tout en permettant l'accès électrique, a été le principal obstacle au développement de technologies à base de graphène. En établissant un contact uniquement avec le bord 1D du graphène, nous avons développé une façon fondamentalement nouvelle de relier notre monde 3D à ce monde 2D fascinant, sans perturber ses propriétés intrinsèques. Cela élimine pratiquement toute contamination externe et permet enfin au graphène de montrer son véritable potentiel dans les appareils électroniques"

Les chercheurs ont entièrement encapsulé la couche de graphène 2D dans un sandwich de fins cristaux isolants de nitrure de bore, employant une nouvelle technique dans laquelle les couches de cristal sont empilées une par une. "Notre approche d'assemblage de ces hétérostructures élimine complètement toute contamination entre les couches, " Dean explique, "ce que nous avons confirmé en coupant les dispositifs et en les imageant dans un microscope électronique à transmission avec une résolution atomique."

Une fois la pile créée, ils l'ont gravé pour exposer le bord de la couche de graphène, puis le métal évaporé sur le bord pour créer le contact électrique. En établissant un contact le long du bord, l'équipe a réalisé une interface 1D entre la couche active 2D et l'électrode métallique 3D. Et, même si les électrons ne sont entrés qu'au bord atomique 1D de la feuille de graphène, la résistance de contact était remarquablement faible, atteignant 100 Ohms par micron de largeur de contact, une valeur inférieure à ce qui peut être obtenu pour les contacts à la surface supérieure du graphène.

Avec les deux nouvelles techniques - l'architecture de contact à travers le bord 1D et la méthode d'assemblage par empilement qui empêche la contamination aux interfaces - l'équipe a pu produire ce qu'elle dit être le « graphène le plus propre jamais réalisé ». À température ambiante, ces appareils présentent des performances jusqu'alors inaccessibles, y compris la mobilité des électrons au moins deux fois plus grande que n'importe quel système d'électrons 2D conventionnel, et une résistivité de la feuille inférieure à 40 ohms lorsque des charges suffisantes sont ajoutées à la feuille par "gating" électrostatique. Étonnamment, cette résistance carrée 2D correspond à une résistivité 3D « en vrac » inférieure à celle de n'importe quel métal à température ambiante. A basse température, les électrons traversent les échantillons de l'équipe sans se disperser, un phénomène connu sous le nom de transport balistique. Transport balistique, avait déjà été observé dans des échantillons de taille proche du micromètre, mais ce travail démontre le même comportement dans des échantillons aussi grands que 20 micromètres. "Jusqu'à présent, cela est limité uniquement par la taille de l'appareil, " dit Dean, « indiquant que le véritable comportement « intrinsèque » est encore meilleur."

L'équipe travaille maintenant sur l'application de ces techniques pour développer de nouveaux matériaux hybrides par assemblage mécanique et contact de bord de matériaux hybrides en s'inspirant de la suite complète de matériaux en couches 2D disponibles, dont le graphène, Nitrure de bore, les dichlorogénures de métaux de transition (TMDC), oxydes de métaux de transition (TMO), et les isolants topologiques (IT). "We are taking advantage of the unprecedented performance we now routinely achieve in graphene-based devices to explore effects and applications related to ballistic electron transport over fantastically large length scales, " Dean adds. "With so much current research focused on developing new devices by integrating layered 2D systems, potential applications are incredible, from vertically structured transistors, tunneling based devices and sensors, photoactive hybrid materials, to flexible and transparent electronics."

"This work results from a wide collaboration of researchers interested in both pure and applied science, " says Hone. "The unique environment at Columbia provides an unparalleled opportunity for these two communities to interact and build off one another."

The Columbia team demonstrated the first technique to mechanically layer 2D materials in 2010. These two new techniques, which are critical advancements in the field, are the result of interdisciplinary efforts by Lei Wang (PhD student, Electrical Engineering, Hone group) and Inanc Meric (Postdoc, Electrical Engineering, Shepard group), co-lead authors on this project who worked with the groups of Philip Kim (Physics and Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia), James Hone (Mechanical Engineering, Columbia), Ken Shepard (Electrical Engineering, Columbia) and Cory Dean (Physics, City College of New York).