Ce modèle de diffraction électronique de nano-faisceau de disulfure de rhénium avec une image d'insertion de zoom avant révèle un modèle de réflexion quasi-hexagonal. Crédit :Junqiao Wu, Laboratoire de Berkeley
(Phys.org) —De super-lubrifiants, aux cellules solaires, à la technologie naissante de valleytronics, il y a de quoi être enthousiasmé par la découverte d'un nouveau semi-conducteur bidimensionnel unique, disulfure de rhénium, par des chercheurs de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. disulfure de rhénium, contrairement au bisulfure de molybdène et aux autres dichalcogénures, se comporte électroniquement comme s'il s'agissait d'une monocouche 2D, même en tant que matériau en vrac 3D. Cela ouvre non seulement la porte aux applications électroniques 2D avec un matériau 3D, il permet également d'étudier la physique 2D avec des cristaux 3D faciles à réaliser.
"Le disulfure de rhénium reste un semi-conducteur à bande interdite directe, son intensité de photoluminescence augmente tandis que son spectre Raman reste inchangé, même avec l'ajout d'un nombre croissant de couches, " dit Junqiao Wu, un physicien de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab qui a dirigé cette découverte. "Cela fait des cristaux en vrac de disulfure de rhénium une plate-forme idéale pour sonder la physique excitonique et des réseaux 2D, contourner le défi de la préparation de grandes surfaces, monocouches monocristallines."
Wu, qui est également professeur au département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Californie-Berkeley, a dirigé une grande équipe internationale de collaborateurs qui ont utilisé les installations de la Fonderie Moléculaire, un centre national de nanosciences du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), pour préparer et caractériser des monocouches individuelles de disulfure de rhénium. Grâce à diverses techniques de spectroscopie, ils ont étudié ces monocouches à la fois en tant que multicouches empilées et en tant que matériaux en vrac. Leur étude a révélé que le caractère unique du disulfure de rhénium provient d'une perturbation de sa symétrie de réseau cristallin appelée distorsion de Peierls.
"Les dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs sont constitués de monocouches maintenues ensemble par des forces faibles, " dit Sefaattin Tongay, auteur principal d'un article décrivant cette recherche en Communication Nature dont Wu était l'auteur correspondant. L'article était intitulé « Comportement de la monocouche dans le ReS2 en vrac en raison du découplage électronique et vibratoire ».
La structure atomique d'une monocouche de disulfure de rhénium montre la dimérisation des atomes de rhénium à la suite des Peierls, formant une chaîne de rhénium désignée par la ligne rouge en zigzag. Crédit :Junqiao Wu, Laboratoire de Berkeley
« Typiquement les monocouches dans un dichalcogénure de métal de transition semi-conducteur, comme le bisulfure de molybdène, sont relativement fortement couplés, mais les monocouches isolées montrent de grands changements dans la structure électronique et les énergies de vibration du réseau, " dit Tongay. " Le résultat est qu'en vrac, ces matériaux sont des semi-conducteurs à gap indirect et dans la monocouche, ils sont à gap direct. "
Quel Tonga, Wu et leurs collaborateurs ont découvert dans leurs études de caractérisation que le disulfure de rhénium contient sept électrons de valence par opposition aux six électrons de valence du disulfure de molybdène et d'autres dichalcogénures de métaux de transition. Cet électron de valence supplémentaire empêche un couplage intercouche fort entre plusieurs monocouches de disulfure de rhénium.
"L'électron supplémentaire est finalement partagé entre deux atomes de rhénium, ce qui rapproche les atomes les uns des autres, former des chaînes quasi-unidimensionnelles à l'intérieur de chaque couche et créer la distorsion de Peierls dans le réseau, " dit Tongay. " Une fois que la distorsion de Peierls a eu lieu, le registre intercalaire est en grande partie perdu, résultant en un faible couplage intercouche et un comportement monocouche dans la masse."
Le faible couplage intercouche du disulfure de rhénium devrait rendre ce matériau très utile en tribologie et dans d'autres applications à faible frottement. Étant donné que le disulfure de rhénium présente également de fortes interactions entre la lumière et la matière qui sont typiques des semi-conducteurs monocouches, et puisque le disulfure de rhénium en vrac se comporte comme s'il s'agissait d'une monocouche, le nouveau matériau devrait également être précieux pour les applications de cellules solaires. Il pourrait également être une alternative moins chère au diamant pour valleytronics.
Dans valleytronics, le nombre quantique d'onde de l'électron dans un matériau cristallin est utilisé pour coder l'information. Ce nombre est dérivé du spin et de la quantité de mouvement d'un électron se déplaçant à travers un réseau cristallin sous la forme d'une onde avec des pics et des vallées d'énergie. Le codage de l'information lorsque les électrons résident dans ces vallées d'énergie minimale offre une nouvelle voie potentielle très prometteuse vers l'informatique quantique et le traitement de données ultrarapide.
"Les atomes de rhénium ont un poids atomique relativement important, ce qui signifie que les interactions spin-orbite des électrons sont importantes, " dit Tongay. " Cela pourrait faire du disulfure de rhénium un matériau idéal pour les applications de valleytronics. "
La collaboration cherche maintenant des moyens d'ajuster les propriétés du disulfure de rhénium dans les cristaux monocouches et en vrac grâce à des défauts artificiels dans le réseau et un dopage sélectif. Ils cherchent également à allier le disulfure de rhénium avec d'autres membres de la famille des dichalcogénures.
