Des chercheurs de l'EPFL ont montré qu'il est possible de créer un canal électrique de quelques atomes de large au sein de matériaux isolants bidimensionnels. Leurs simulations ouvrent de nouvelles perspectives pour la réalisation de nouveaux dispositifs électroniques et photovoltaïques.
Dans le monde de l'infiniment petit, des phénomènes inattendus peuvent se produire à l'interface entre deux matériaux lorsqu'ils sont artificiellement combinés. A l'EPFL, des scientifiques ont montré qu'il est possible de générer un canal conducteur d'une largeur de quelques atomes dans la zone de contact entre différentes feuilles de matériaux isolants. Ce travail, vient de paraître dans Communication Nature , pourrait permettre la création non seulement de nouveaux dispositifs micro- et nanoélectroniques, mais aussi d'un nouveau type de cellule solaire.
Matériaux bidimensionnels
Pour générer ces minuscules canaux conducteurs, les chercheurs ont étudié des matériaux bidimensionnels, c'est-à-dire des feuilles de matière de quelques atomes d'épaisseur, parfois seulement constitué d'une seule couche d'atomes.
Comme le graphène, ces matériaux sont composés d'atomes disposés selon une structure hexagonale, semblable aux cellules trouvées dans les ruches. La différence est que si le graphène est conducteur et composé uniquement d'atomes de carbone, les matériaux bidimensionnels mentionnés dans l'étude sont isolants et sont composés de différents éléments.
Parmi de nombreuses possibilités, les chercheurs ont considéré le nitrure de bore (BN), qui est composé de deux sortes d'atomes. A l'état naturel, une "feuille" de nitrure de bore agit comme un isolant et ne peut donc pas conduire le courant électrique. Cependant, la technique, après une légère modification chimique, permet aux chercheurs de développer des "fils" pour les électrons conducteurs.
Un sandwich aux protons
La fabrication du canal électrique est une opération en deux étapes. Il est fabriqué en fixant un proton (c'est-à-dire, un atome d'hydrogène) sur une feuille de nitrure de bore au-dessus de chaque atome de bore (B) et une en dessous de chaque atome d'azote (N). Ainsi pris en sandwich entre les atomes d'hydrogène, la feuille de nitrure de bore « décorée » génère un canal conducteur de quelques atomes de large lorsqu'elle est mise en contact avec une feuille « vierge » de BN. Le nouveau « fil » situé à l'interface entre les deux nappes permet un contrôle précis de la circulation des électrons lors de l'application de la tension. « Pris séparément, la feuille chimiquement modifiée et la feuille vierge ne sont pas conductrices, " dit Giovanni Pizzi, co-auteur de l'étude. "Ce n'est qu'en combinant l'un avec l'autre que la chaîne apparaît."
Les applications potentielles associées à ces simulations sont nombreuses. Les nouveaux « fils » conducteurs pourraient notamment servir à développer des dispositifs micro et nanoélectroniques plus compacts et plus puissants. "Les 'fils' produits par la lithographie traditionnelle ne descendent pas en dessous de vingt nanomètres, ce qui signifie au moins cent atomes, " dit Giovanni Pizzi. " Quelques atomes de large, notre fil pourrait connecter les différents processeurs d'une nanopuce en prenant beaucoup moins de place que les fils actuels."
Un nouveau modèle de cellule solaire
Les applications liées à ces minuscules canaux conducteurs pourraient également inclure la création d'un nouveau type de cellule solaire ultra-mince et flexible.
Lorsque le matériau à motifs de canaux est soumis à la lumière du soleil, les électrons présents dans la partie isolante se déplacent vers les pistes conductrices. "Pour obtenir un courant électrique, il suffit alors simplement de connecter les canaux, " explique Marco Gibertini, qui est également co-auteur de l'étude.
Vers des tests expérimentaux
Les chercheurs de l'EPFL espèrent désormais que leurs travaux de simulation attireront l'attention des spécialistes du domaine expérimental pour réaliser des tests en situation réelle. "Dans notre étude, nous proposons un calcul simple que les chercheurs peuvent effectuer pour voir si un matériau donné, après modification chimique, formera ces petits fils, " explique Marco Gibertini. " Notre idée s'appuie sur des résultats antérieurs sur des matériaux 3D. Nous avons également étudié intentionnellement les matériaux et techniques expérimentaux existants. Cela devrait faciliter les tests expérimentaux, " il ajoute.
