Est-ce que des couches d'un atome d'épaisseur de bisulfure de molybdène, un composé qui se produit naturellement dans les roches, s'avérer meilleur que le graphène pour les applications électroniques ? Il existe de nombreux signes qui pourraient s'avérer être le cas. Mais des physiciens de la faculté de physique de l'université de Varsovie ont montré que la nature des phénomènes se produisant dans les matériaux stratifiés est encore mal comprise et nécessite des recherches plus poussées.

Le graphène a déjà été salué comme l'avenir de l'électronique. Construit d'anneaux de carbone à six atomes disposés dans une structure en nid d'abeille, il forme des feuilles extrêmement résistantes d'une épaisseur d'un seul atome. Cependant, nous connaissons d'autres matériaux qui ont un structure en couches. Surtout, certains d'entre eux, comme le bisulfure de molybdène, ont des propriétés tout aussi intrigantes que celles du graphène.

Chercheurs de l'Université de Varsovie, La Faculté de Physique (FUW) a montré que les phénomènes se produisant dans le réseau cristallin des feuillets de bisulfure de molybdène sont d'une nature légèrement différente de ce que l'on pensait auparavant. Un rapport décrivant la découverte, réalisé en collaboration avec le Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses à Grenoble, a récemment été publié dans Lettres de physique appliquée .

"Il ne deviendra pas possible de construire des systèmes électroniques complexes constitués de feuillets atomiques individuels tant que nous n'aurons pas une compréhension suffisamment bonne de la physique impliquée dans les phénomènes se produisant dans le réseau cristallin de ces matériaux. Nos recherches montrent, cependant, que la recherche a encore un long chemin à parcourir dans ce domaine", déclare le professeur Adam Babiński de la faculté de physique de l'UW.

La méthode la plus simple pour créer du graphène s'appelle l'exfoliation :un morceau de scotch est d'abord collé sur un morceau de graphite, puis décollé. Parmi les particules qui restent collées au ruban, on peut trouver des couches microscopiques de graphène. En effet, le graphite se compose de nombreuses feuilles de graphène adjacentes les unes aux autres. Les atomes de carbone au sein de chaque couche sont très fortement liés les uns aux autres (par des liaisons covalentes, auquel le graphène doit sa résilience légendaire), mais les couches individuelles sont maintenues ensemble par des liaisons nettement plus faibles (liaisons de van de Walls). Le scotch ordinaire est suffisamment solide pour briser ce dernier et arracher les feuilles de graphène individuelles du cristal de graphite.

Il y a quelques années, il a été remarqué que tout comme le graphène peut être obtenu à partir du graphite, des feuilles d'un seul atome d'épaisseur peuvent également être obtenues à partir de nombreux autres cristaux. Cela a été fait avec succès, par exemple, avec des chalcogénures de métaux de transition (sulfures, séléniures, et tellurures). Couches de bisulfure de molybdène (MoS2), en particulier, se sont avérés être un matériau très intéressant. Ce composé existe dans la nature sous forme de molybdénite, un matériau cristallin trouvé dans les roches du monde entier, prenant souvent la forme caractéristique de plaques hexagonales de couleur argent. Pendant des années, la molybdénite a été utilisée dans la fabrication de lubrifiants et d'alliages métalliques. Comme dans le cas du graphite, les propriétés des feuillets à un seul atome de MoS2 sont longtemps passées inaperçues.

Du point de vue des applications en électronique, Les feuilles de bisulfure de molybdène présentent un avantage significatif par rapport au graphène :elles ont un gap énergétique, une gamme d'énergie dans laquelle aucun état électronique ne peut exister. En appliquant un champ électrique, le matériau peut être commuté entre un état conducteur de l'électricité et un état qui se comporte comme un isolant. Par les calculs actuels, un transistor au bisulfure de molybdène éteint consommerait même quelques centaines de milliers de fois moins d'énergie qu'un transistor au silicium. Graphène, d'autre part, n'a pas de trou d'énergie et les transistors en graphène ne peuvent pas être complètement éteints.

Des informations précieuses sur la structure d'un cristal et les phénomènes qui s'y produisent peuvent être obtenues en analysant la façon dont la lumière se diffuse dans le matériau. Les photons d'une énergie donnée sont généralement absorbés par les atomes et les molécules du matériau, puis réémis à la même énergie. Dans le spectre de la lumière diffusée, on peut alors voir un pic distinctif, correspondant à cette énergie. Il s'avère, cependant, qu'un photon sur plusieurs millions est capable d'utiliser une partie de son énergie autrement, par exemple pour modifier la vibration ou la circulation d'une molécule. La situation inverse se produit aussi parfois :un photon peut emporter une partie de l'énergie d'une molécule, et ainsi sa propre énergie augmente légèrement. Dans cette situation, connu sous le nom de diffusion Raman, deux pics plus petits sont observés de chaque côté du pic principal.

Les scientifiques de la faculté de physique de l'UW ont analysé les spectres Raman du bisulfure de molybdène en procédant à des mesures microscopiques à basse température. La plus grande sensibilité de l'équipement et les méthodes d'analyse détaillées ont permis à l'équipe de proposer un modèle plus précis des phénomènes se produisant dans le réseau cristallin du bisulfure de molybdène.

« Dans le cas des matériaux monocouches, la forme des raies Raman a été précédemment expliquée en termes de phénomènes mettant en jeu certaines vibrations caractéristiques du réseau cristallin. Nous avons montré pour des feuilles de bisulfure de molybdène que les effets attribués à ces vibrations doivent en fait, au moins en partie, être dues à d'autres vibrations du réseau non prises en compte auparavant", explique Katarzyna Gołasa, un étudiant au doctorat à la faculté de physique de l'UW.

La présence du nouveau type de vibration dans les matériaux à feuille unique a un impact sur le comportement des électrons. En conséquence, ces matériaux doivent avoir des propriétés électroniques quelque peu différentes de celles prévues précédemment.

"Le graphène a été le premier. Ses caractéristiques uniques ont déclenché une intérêt toujours croissant des scientifiques mais aussi de l'industrie. Cependant, nous ne devons pas oublier les autres matériaux monocouches. Si nous les étudions bien, ils peuvent s'avérer meilleurs que le graphène pour de nombreuses applications", dit le professeur Babiński.

La physique et l'astronomie sont apparues pour la première fois à l'Université de Varsovie en 1816, sous la faculté de philosophie de l'époque. En 1825, l'Observatoire astronomique a été créé. Actuellement, les instituts de la Faculté de physique comprennent la physique expérimentale, Physique théorique, Géophysique, Département des méthodes mathématiques et un observatoire astronomique. La recherche couvre presque tous les domaines de la physique moderne, sur des échelles allant du quantique au cosmologique. Le personnel de recherche et d'enseignement de la Faculté comprend env. 200 professeurs d'université, dont près de 80 sont des salariés avec le titre de professeur. La Faculté de Physique, Université de Varsovie, est assisté par ca. 1000 étudiants et plus de 140 doctorants.