Vu au microscope optique, les hétérostructures ont une forme triangulaire. Les deux semi-conducteurs monocouches différents sont reconnaissables à leurs couleurs différentes. Crédit :U de Washington
Les scientifiques ont développé ce qu'ils croient être le semi-conducteur le plus fin possible, une nouvelle classe de matériaux nanométriques fabriqués dans des feuilles de seulement trois atomes d'épaisseur.
Les chercheurs de l'Université de Washington ont démontré que deux de ces matériaux semi-conducteurs monocouches peuvent être connectés d'une manière atomiquement transparente connue sous le nom d'hétérojonction. Ce résultat pourrait être la base d'une informatique flexible et transparente de nouvelle génération, de meilleures diodes électroluminescentes, ou LED, et technologies solaires.
"Les hétérojonctions sont des éléments fondamentaux des dispositifs électroniques et photoniques, " a déclaré l'auteur principal Xiaodong Xu, un professeur assistant de l'UW en science et ingénierie des matériaux et en physique. "Notre démonstration expérimentale de telles jonctions entre matériaux bidimensionnels devrait permettre de nouveaux types de transistors, LED, nanolasers, et des cellules solaires à développer pour des circuits électroniques et optiques hautement intégrés dans un seul plan atomique."
La recherche a été publiée en ligne cette semaine dans Matériaux naturels .
Les chercheurs ont découvert que deux matériaux semi-conducteurs plats peuvent être connectés bord à bord avec une perfection cristalline. Ils ont travaillé avec deux monocouches, ou monocouche, matériaux – diséléniure de molybdène et diséléniure de tungstène – qui ont des structures très similaires, qui était la clé de la création du semi-conducteur composite bidimensionnel.
Des collaborateurs du centre de microscopie électronique de l'Université de Warwick en Angleterre ont découvert que tous les atomes des deux matériaux formaient une structure de réseau en nid d'abeille unique, sans aucune distorsion ni discontinuité. Cela fournit le lien le plus fort possible entre deux matériaux monocouches, nécessaire pour les appareils flexibles. Au sein d'une même famille de matériaux, il est possible que les chercheurs puissent lier d'autres paires de la même manière.
Une image de microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) à haute résolution montre la structure en réseau des hétérojonctions en précision atomique. Crédit :Université de Warwick
Les chercheurs ont créé les jonctions dans un petit four à l'UW. D'abord, ils ont inséré un mélange de poudre des deux matériaux dans une chambre chauffée à 900 degrés Celsius (1, 652F). De l'hydrogène gazeux a ensuite traversé la chambre et les atomes évaporés de l'un des matériaux ont été transportés vers une région plus froide du tube et déposés sous forme de cristaux monocouches en forme de triangles.
Après un moment, atomes évaporés du second matériau puis attachés aux bords du triangle pour créer une hétérojonction semi-conductrice sans soudure.
"C'est une technique évolutive, " dit Sanfeng Wu, un étudiant au doctorat UW en physique et l'un des auteurs principaux. "Parce que les matériaux ont des propriétés différentes, ils s'évaporent et se séparent automatiquement à des moments différents. Le second matériau se forme autour du premier triangle qui vient de se former. C'est pourquoi ces treillis sont si joliment connectés."
Cette carte d'intensité de photoluminescence montre un morceau typique des hétérostructures latérales. La région de jonction produit une émission lumineuse améliorée, indiquant son potentiel d'application en optoélectronique. Crédit :U de Washington
Avec un plus grand four, il serait possible de produire en série des nappes de ces hétérostructures semi-conductrices, les chercheurs ont dit. A petite échelle, il faut environ cinq minutes pour faire pousser les cristaux, avec jusqu'à deux heures de temps de chauffage et de refroidissement.
« Nous sommes très enthousiasmés par les nouvelles opportunités scientifiques et techniques offertes par ces nouvelles structures, " a déclaré l'auteur principal David Cobden, un professeur de physique à l'UW. "À l'avenir, des combinaisons de matériaux bidimensionnels peuvent être intégrées ensemble de cette manière pour former toutes sortes de structures électroniques intéressantes telles que des puits quantiques dans le plan et des fils quantiques, super-réseaux, transistors pleinement fonctionnels, et même des circuits électroniques complets."
Les chercheurs ont déjà démontré que la jonction interagit avec la lumière beaucoup plus fortement que le reste de la monocouche, ce qui est encourageant pour les applications optoélectriques et photoniques comme les cellules solaires.
