(Phys.org) — Une équipe de recherche de l'Université du Kansas a utilisé des lasers à haute puissance pour suivre la vitesse et le mouvement des électrons à l'intérieur d'un matériau innovant qui n'a qu'un atome d'épaisseur. Leurs conclusions sont publiées dans le numéro actuel de ACS Nano , une revue à comité de lecture axée sur les nanosciences.
Les travaux du laboratoire laser ultrarapide de KU pourraient aider à ouvrir la voie aux transistors et aux panneaux solaires de nouvelle génération faits de solides, matériaux atomiquement minces.
"Quand le solide est une couche mince, les électrons sont confinés dans cette couche mince, " dit Hui Zhao, professeur agrégé de physique et d'astronomie, qui dirige l'équipe. "Un électron libre de se déplacer dans deux dimensions se comporte très différemment de ceux se déplaçant dans les trois dimensions. Cela change totalement la façon dont les électrons interagissent avec l'environnement. Dans les bonnes conditions, les électrons se déplaçant dans deux dimensions sont moins susceptibles d'entrer en collision avec d'autres choses dans le solide, et par conséquent leur mouvement est moins perturbé. Un mouvement plus rapide des électrons conduit souvent à de meilleures performances des appareils."
Pour surveiller les électrons, Zhao et les étudiants diplômés Qiannan Cui, Frank Ceballos et Nardeep Kumar ont créé une couche à un seul atome de disulfure de tungstène, un matériau utilisé dans les cellules solaires et comme lubrifiant.
Les chercheurs de la KU ont produit la couche atomique unique en employant la "méthode du ruban adhésif" utilisée pour la première fois par des scientifiques travaillant à l'Université de Manchester pour créer du "graphène, " un matériau qui a valu à ses créateurs le prix Nobel de physique en 2010.
"Le diséléniure de tungstène est l'un des rares matériaux atomiquement minces qui sont connus pour être stables dans des conditions ambiantes, " a déclaré Zhao. "Nous n'avons pas beaucoup de choix. La plupart des matériaux ne peuvent pas rester dans un format à une seule couche atomique. Ils se briseront ou se convertiront en d'autres formes."
Une fois que l'équipe a créé un flocon d'un seul atome d'épaisseur de diséléniure de tungstène, ils ont arrangé environ 100 miroirs, lentilles et cristaux sur une table sans vibration pour créer un microscope à absorption transitoire. Prochain, ils ont concentré une impulsion laser ultracourte - d'une durée de seulement un dixième de milliardième de seconde - sur l'échantillon. Des centaines d'électrons dans une zone d'un micromètre carré du matériau ont absorbé l'énergie du laser et deviennent suffisamment énergétiques pour se déplacer librement dans l'échantillon.
"Leur mouvement est similaire à ces enfants énergiques, sauf qu'ils se déplacent beaucoup plus vite et se heurtent beaucoup plus fréquemment, " dit Zhao.
La capacité de l'équipe à suivre le mouvement des électrons et à déterminer leur vitesse est la percée la plus importante de l'enquête.
"Pour suivre le mouvement de ces électrons énergétiques, nous avons utilisé une autre impulsion laser pour suivre l'emplacement de ces électrons à chaque milliardième de seconde jusqu'à ce qu'ils perdent leur énergie et s'installent, " a déclaré Zhao. " La mesure a été répétée 80 millions de fois par seconde automatiquement afin de faire la moyenne du bruit. Nous avons constaté que les électrons entrent en collision avec d'autres particules environ 4 milliards de fois par seconde, en moyenne."
La vitesse des électrons dans un matériau est l'une des propriétés électroniques les plus importantes, selon le chercheur.
"Cela se traduit par un fonctionnement plus rapide dans les appareils logiques et les ordinateurs, une plus grande efficacité dans les cellules solaires et une meilleure sensibilité dans les capteurs, " a déclaré Zhao. " Être capable de mesurer cette qualité est la première étape pour comprendre les facteurs limitants et comment les améliorer. D'autres chercheurs déduisent le mouvement des électrons en mesurant le courant en fonction de la tension. C'est moins direct et nécessite de connecter le semi-conducteur à des électrodes. Cela peut être très difficile pour les échantillons petits et minces. Notre approche est directe et non invasive."
Non content de surveiller simplement l'activité des électrons, Zhao et son équipe espèrent augmenter les performances des électrons afin d'apporter plus d'efficacité, appareils électroniques puissants que la génération actuelle qui utilisent du silicone comme matériau de transistor.
"Notre prochain objectif le long de cette ligne est de trouver des moyens d'augmenter la vitesse des électrons de, par exemple, mettre les monocouches sur un substrat plus approprié ou modifier le matériau, " dit-il. " Une autre direction est d'utiliser ce matériel, avec d'autres, former de nouveaux, cristaux 3D artificiels. Il est possible que de tels cristaux se développent dans les prochaines années, car de nombreux groupes y travaillent. Il est difficile de prédire quand cela pourra être commercialisé. Ce n'est qu'une solution potentielle pour remplacer le silicium pour l'industrie électronique. L'objectif actuel est d'apprendre à améliorer la qualité des matériaux, réduisez les coûts et essayez de comprendre leurs avantages et leurs inconvénients."
