Chips qui utilisent la lumière, plutôt que l'électricité, déplacer des données consommerait beaucoup moins d'énergie et l'efficacité énergétique est une préoccupation croissante à mesure que le nombre de transistors des puces augmente.

Des trois principaux composants des circuits optiques, les émetteurs de lumière, modulateurs, et les détecteurs—les émetteurs sont les plus difficiles à construire. Une source lumineuse prometteuse pour les puces optiques est le bisulfure de molybdène (MoS 2 ), qui a d'excellentes propriétés optiques lorsqu'il est déposé en un seul, couche d'épaisseur atomique. D'autres émetteurs de lumière expérimentaux sur puce ont des géométries tridimensionnelles plus complexes et utilisent des matériaux plus rares, ce qui les rendrait plus difficiles et plus coûteuses à fabriquer.

Dans le prochain numéro de la revue Lettres nano , chercheurs des départements de physique et de génie électrique et informatique du MIT Science décrira une nouvelle technique de construction de MoS 2 émetteurs de lumière réglés sur différentes fréquences, une exigence essentielle pour les puces optoélectroniques. Étant donné que de minces films de matériau peuvent également être modelés sur des feuilles de plastique, le même travail pourrait pointer vers mince, souple, brillant, écrans couleur.

Les chercheurs fournissent également une caractérisation théorique des phénomènes physiques qui expliquent l'accordabilité des émetteurs, ce qui pourrait aider à la recherche de matériaux candidats encore meilleurs. Le molybdène est l'un des nombreux éléments, regroupés sur le tableau périodique, appelés métaux de transition. "Il y a toute une famille de métaux de transition, " déclare la professeure émérite de l'Institut Mildred Dresselhaus, l'auteur correspondant sur le nouveau papier. "Si vous le trouvez dans un, alors cela vous incite à le regarder dans toute la famille."

Se joignant à Dresselhaus sur le papier sont les premiers auteurs conjoints Shengxi Huang, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique, et Xi Ling, un post-doctorat au Laboratoire de Recherche en Electronique; professeur agrégé de génie électrique et d'informatique Jing Kong; et Liangbo Liang, Humberto Terrones, et Vincent Meunier de l'Institut polytechnique Rensselaer.

Monocouche—avec une torsion

La plupart des systèmes de communication optique, tels que les réseaux à fibres optiques qui fournissent à de nombreuses personnes un service Internet et TV, optimisent la bande passante en encodant différentes données à différentes fréquences optiques. L'accordabilité est donc cruciale pour exploiter tout le potentiel des puces optoélectroniques.

Les chercheurs du MIT ont réglé leurs émetteurs en déposant deux couches de MoS 2 sur un substrat de silicium. Les couches supérieures ont été tournées par rapport aux couches inférieures, et le degré de rotation déterminait la longueur d'onde de la lumière émise.

Ordinairement, MoS 2 est un bon émetteur de lumière uniquement en monocouches, ou des feuilles d'épaisseur atomique. Comme l'explique Huang, c'est parce que la structure bidimensionnelle de la feuille confine les électrons en orbite autour du MoS 2 molécules à un nombre limité d'états énergétiques.

MoS 2 , comme tous les semi-conducteurs électroluminescents, est ce qu'on appelle un matériau à bande interdite directe. Lorsque de l'énergie est ajoutée au matériau, soit par une "pompe" laser soit sous forme de courant électrique, il envoie certains des électrons en orbite autour des molécules dans des états d'énergie plus élevés. Lorsque les électrons retombent dans leur état initial, ils émettent leur excès d'énergie sous forme de lumière.

Dans une monocouche de MoS 2 , les électrons excités ne peuvent pas s'échapper du plan défini par le réseau cristallin du matériau :en raison de la géométrie du cristal, les seuls états d'énergie à leur disposition pour franchir le seuil d'émission de lumière. Mais en MoS multicouche 2 , les couches adjacentes offrent des états de plus faible énergie, en dessous du seuil, et un électron excité cherchera toujours l'énergie la plus basse qu'il puisse trouver.

Attention à l'écart

Ainsi, alors que les chercheurs savaient que la rotation des couches de MoS 2 devrait modifier la longueur d'onde de la lumière émise, ils n'étaient en aucun cas certains que la lumière serait suffisamment intense pour être utilisée en optoélectronique. Comme il s'avère, cependant, la rotation des couches les unes par rapport aux autres modifie suffisamment la géométrie cristalline pour préserver la bande interdite. La lumière émise n'est pas aussi intense que celle produite par une monocouche de MoS 2 , mais c'est certainement assez intense pour une utilisation pratique et nettement plus intense que celle produite par la plupart des technologies rivales.

Les chercheurs ont pu caractériser avec précision la relation entre les géométries des couches en rotation et la longueur d'onde et l'intensité de la lumière émise. "Pour différents angles de torsion, la séparation réelle entre les deux couches est différente, donc le couplage entre les deux couches est différent, " explique Huang. "Cela interfère avec les densités d'électrons dans le système bicouche, ce qui vous donne une photoluminescence différente. » Cette caractérisation théorique devrait permettre de prédire beaucoup plus facilement si d'autres composés de métaux de transition afficheront une émission lumineuse similaire.

"Cette chose est quelque chose de vraiment nouveau, " dit Fengnian Xia, professeur adjoint de génie électrique à l'Université de Yale. "Cela vous donne un nouveau modèle pour le réglage."

"Je m'attendais à ce que ce type de réglage d'angle fonctionne, mais je ne m'attendais pas à ce que l'effet soit si énorme, " Xia adds. "They get quite significant tuning. That's a little bit surprising."

Xia believes that compounds made from other transition metals, such as tungsten disulfide or tungsten diselenide, could ultimately prove more practical than MoS 2 . But he agrees that the MIT and RPI researchers' theoretical framework could help guide future work. "They use density-functional theory, " he says. "That's a kind of general theory that can be applied to other materials also."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.