(Phys.org) — La volonté de développer des dispositifs électroniques ultrapetits et ultrarapides utilisant une seule couche atomique de semi-conducteurs, tels que les dichalcogénures de métaux de transition, a reçu un coup de pouce important. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont enregistré les premières observations d'une forte résonance optique non linéaire le long des bords d'une seule couche de bisulfure de molybdène. L'existence de ces états de bord est la clé de l'utilisation du bisulfure de molybdène en nanoélectronique, ainsi qu'un catalyseur pour la réaction de dégagement d'hydrogène dans les piles à combustible, désulfuration et autres réactions chimiques.

"Nous avons observé de fortes résonances optiques non linéaires sur les bords d'un cristal bidimensionnel de bisulfure de molybdène", explique Xiang Zhang, un chercheur universitaire de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab qui a dirigé cette étude. "Ces états de bord unidimensionnels sont le résultat de changements de structure électronique et peuvent permettre de nouveaux dispositifs nanoélectroniques et photoniques. Ces bords ont également longtemps été suspectés d'être les sites actifs de la réaction d'évolution électrocatalytique de l'hydrogène dans les applications énergétiques. Nous avons également découvert des secondes extraordinaires. propriétés de génération de lumière harmonique qui peuvent être utilisées pour la surveillance in situ des changements électroniques et des réactions chimiques qui se produisent aux bords atomiques unidimensionnels."

Zhang, qui est également titulaire de la chaire Ernest S. Kuh Endowed Chair à l'Université de Californie (UC) Berkeley et dirige le Nano-scale Science and Engineering Center de la National Science Foundation, est l'auteur correspondant d'un article dans Science décrivant cette recherche. L'article s'intitule "Edge Nonlinear Optics on a MoS2 Atomic Monolayer". Les co-auteurs sont Xiaobo Yin, Ziliang Ye, Daniel Chenet, Yu Ye, Kevin O'Brien et James Hone.

Les semi-conducteurs bidimensionnels émergents sont prisés dans l'industrie électronique pour leur efficacité énergétique supérieure et leur capacité à transporter des densités de courant beaucoup plus élevées que le silicium. Une seule molécule d'épaisseur, ils sont bien adaptés aux dispositifs optoélectroniques intégrés. Jusque récemment, le graphène a été la superstar incontestée des matériaux 2D, mais aujourd'hui, une attention considérable est portée sur les cristaux semi-conducteurs 2D constitués d'une seule couche d'atomes de métaux de transition, comme le molybdène, tungstène ou niobium, pris en sandwich entre deux couches d'atomes de chalcogène, comme le soufre ou le sélénium. Présentant la même structure hexagonale plate "en nid d'abeilles" que le graphène et bon nombre des mêmes avantages électriques, ces dichalcogénures de métaux de transition, contrairement au graphène, ont des bandes interdites d'énergie directe. Cela facilite leur application dans les transistors et autres appareils électroniques, en particulier les diodes électroluminescentes.

La pleine réalisation du vaste potentiel des dichalcogénures de métaux de transition ne viendra qu'avec une meilleure compréhension des orientations de domaine de leurs structures cristallines qui donnent lieu à leurs propriétés exceptionnelles. Jusqu'à maintenant, cependant, l'imagerie expérimentale de ces structures de trois atomes d'épaisseur et de leurs bords a été limitée à la microscopie à effet tunnel et à la microscopie électronique à transmission, technologies souvent difficiles à utiliser. L'optique non linéaire aux bords et aux limites des cristaux a permis à Zhang et à ses collaborateurs de développer une nouvelle technique d'imagerie basée sur les émissions lumineuses de génération de seconde harmonique (SHG) qui peuvent facilement capturer les structures cristallines et les orientations des grains avec un microscope optique.

"Notre technique d'imagerie optique non linéaire est une méthode non invasive, vite, approche métrologique aisée de l'étude des matériaux atomiques 2D, " dit Xiaobo Yin, l'auteur principal de la Science papier et ancien membre du groupe de recherche de Zhang qui fait maintenant partie du corps professoral de l'Université du Colorado, Rocher. "Nous n'avons pas besoin de préparer l'échantillon sur un substrat spécial ou un environnement sous vide, et la mesure ne perturbera pas l'échantillon pendant le processus d'imagerie. Cet avantage permet des mesures in-situ dans de nombreuses conditions pratiques. Par ailleurs, notre technique d'imagerie est une mesure ultrarapide qui peut fournir des informations dynamiques critiques, et son instrumentation est beaucoup moins compliquée et moins chère par rapport à la microscopie à effet tunnel et à la microscopie électronique à transmission."

Pour l'imagerie SHG du bisulfure de molybdène, Zhang et ses collaborateurs ont illuminé des échantillons de membranes de seulement trois atomes d'épaisseur avec des impulsions ultrarapides de lumière infrarouge. Les propriétés optiques non linéaires des échantillons ont donné une forte réponse SHG sous forme de lumière visible qui est à la fois accordable et cohérente. Les images générées par SHG résultantes ont permis aux chercheurs de détecter des "discontinuités structurelles" ou des bords le long des cristaux 2D de seulement quelques atomes de large là où la symétrie de translation du cristal était brisée.

"En analysant les composantes polarisées des signaux SHG, nous avons pu cartographier l'orientation cristalline de la membrane atomique en bisulfure de molybdène, " dit Ziliang Ye, le co-auteur principal de l'article et membre actuel du groupe de recherche de Zhang. "Cela nous a permis de capturer une carte complète des structures des grains cristallins, code couleur selon l'orientation du cristal. Nous avons maintenant un temps réel, outil non invasif qui nous permet d'explorer la structure, optique, et les propriétés électroniques des couches atomiques 2D de dichalcogénures de métaux de transition sur une grande surface."