Dans les stations de métro autour de Londres, l'avertissement « Mind the Gap » aide les navetteurs à ne pas entrer dans l'espace vide lorsqu'ils quittent le train. Lorsqu'il s'agit de concevoir des structures atomiques monocouches, s'occuper de l'écart aidera les chercheurs à créer des matériaux électroniques artificiels une couche atomique à la fois.

L'espace est un vide minuscule qui ne peut être vu qu'au microscope électronique à transmission à haute puissance. Le trou, les chercheurs du Center for 2-Dimensional and Layered Materials (2DLM) de Penn State pensent, est une barrière énergétique qui empêche les électrons de traverser facilement d'une couche de matériau à l'autre.

"C'est une couche isolante naturelle Mère Nature intégrée dans ces matériaux créés artificiellement, " a déclaré Joshua Robinson, professeur assistant en science et ingénierie des matériaux et directeur associé du Centre 2DLM. "Nous essayons toujours de comprendre comment les électrons se déplacent verticalement à travers ces matériaux en couches, et nous avons pensé que cela devrait prendre beaucoup moins d'énergie. Grâce à une combinaison de théorie et d'expérimentation, nous savons maintenant que nous devons tenir compte de cet écart lorsque nous concevons de nouveaux matériaux."

Pour la première fois, les chercheurs de Penn State ont fait pousser une seule couche atomique de diséléniure de tungstène sur un substrat de graphène d'une épaisseur d'un atome avec des interfaces vierges entre les deux couches. Quand ils ont essayé de mettre une tension de la couche supérieure de diséléniure de tungstène (WSe2) jusqu'à la couche de graphène, ils ont rencontré une quantité surprenante de résistance. Environ la moitié de la résistance a été causée par l'écart, qui a introduit une grande barrière, environ 1 électron-volt (1eV), aux électrons essayant de se déplacer entre les couches. Cette barrière énergétique pourrait s'avérer utile dans la conception d'appareils électroniques de prochaine génération, tels que les transistors à effet de champ à effet tunnel vertical, dit Robinson.

L'intérêt pour ces matériaux van der Waals est né avec la découverte de méthodes pour fabriquer du graphite monocouche en utilisant du ruban adhésif pour séparer mécaniquement une couche de carbone d'un atome d'épaisseur appelée graphène à partir de graphite en vrac. La force de van der Waals qui lie les couches de graphite entre elles est suffisamment faible pour permettre le décapage de la seule couche atomique. Les chercheurs de Penn State utilisent une méthode différente, méthode plus évolutive, appelé dépôt chimique en phase vapeur, pour déposer une seule couche de WSe2 cristallin au-dessus de quelques couches de graphène épitaxié qui est développé à partir de carbure de silicium. Bien que la recherche sur le graphène ait explosé au cours de la dernière décennie, il existe de nombreux solides van der Waal qui peuvent être combinés pour créer des matériaux artificiels entièrement nouveaux aux propriétés inimaginables.

Dans un article publié en ligne ce mois-ci dans Lettres nano , l'équipe de Penn State et ses collègues de l'UT Dallas, le Laboratoire de recherche navale, Laboratoire national de Sandia, et des laboratoires à Taïwan et en Arabie saoudite, ont découvert que la couche de diséléniure de tungstène se développait en îlots triangulaires parfaitement alignés de 1 à 3 microns qui se sont lentement fusionnés en un seul cristal jusqu'à 1 centimètre carré. Robinson pense qu'il sera possible de faire croître ces cristaux jusqu'à des tailles à l'échelle industriellement utiles, mais nécessitera un four plus grand que celui dont il dispose actuellement dans son laboratoire.

"L'une des choses vraiment intéressantes à propos de cet écart, " Robinson a dit, « est-ce que cela nous permet de faire croître des couches alignées malgré le fait que les atomes du graphène ne sont pas alignés avec les atomes du diséléniure de tungstène. En fait, il y a un décalage de 23 % du réseau, ce qui est énorme. Mère Nature a vraiment assoupli les règles en ce qui concerne ces grandes différences dans l'espacement des atomes."

L'auteur principal de la Lettres nano le papier est Yu-Chuan Lin, un étudiant diplômé du laboratoire de Robinson. Les autres coauteurs de Penn State étaient Ram Krishna Ghosh, un post-doctorant en génie électrique (EE) qui a utilisé la modélisation informatique pour aider l'équipe à comprendre la barrière énergétique, Jie Li, stagiaire post-doctoral en EE, Theresa S. Mayer et Suman Datta, professeurs en EE et Robinson, qui, avec Lain-Jong Li de l'Institut des sciences atomiques et moléculaires, Taïwan, était l'auteur correspondant. Dans un rare heureux hasard, Jérémy Robinson, chercheur au Naval Research Laboratory et frère de Joshua Robinson, a également été co-auteur de l'article. Robert Wallace et ses étudiants de l'Université du Texas à Dallas ont fourni des images MET.