Des physiciens de l'Université du Kansas ont fabriqué une substance innovante à partir de deux feuilles atomiques différentes qui s'imbriquent un peu comme des briques Lego. Les chercheurs ont déclaré que le nouveau matériau, composé d'une couche de graphène et d'une couche de disulfure de tungstène, pourrait être utilisé dans les cellules solaires et l'électronique flexible. Leurs conclusions sont publiées aujourd'hui par Communication Nature .

Hsin Ying Chiu, professeur assistant de physique et d'astronomie, et l'étudiant diplômé Matt Bellus a fabriqué le nouveau matériau en utilisant « l'assemblage couche par couche » comme technique de nanofabrication ascendante polyvalente. Puis, Jiaqi He, un étudiant chinois en visite, et Nardeep Kumar, un étudiant diplômé qui a maintenant déménagé chez Intel Corp., étudié comment les électrons se déplacent entre les deux couches grâce à la spectroscopie laser ultrarapide dans le laboratoire laser ultrarapide de la KU, supervisé par Hui Zhao, professeur agrégé de physique et d'astronomie.

"Construire des matériaux artificiels avec une fonctionnalité synergique a été un long voyage de découverte, " dit Chiu. " Une nouvelle classe de matériaux, fait de matériaux en couches, a attiré une grande attention depuis le développement rapide de la technologie du graphène. L'un des aspects les plus prometteurs de cette recherche est le potentiel de concevoir des matériaux de nouvelle génération via un contrôle au niveau de la couche atomique sur sa structure électronique. »

Selon les chercheurs, l'approche est de concevoir des matériaux synergiques en combinant deux feuilles épaisses à un seul atome, par exemple, faisant office de cellule photovoltaïque ainsi que de diode électroluminescente, convertir l'énergie entre l'électricité et le rayonnement. Cependant, combiner des couches de matériau atomiquement mince est une tâche épineuse qui a déconcerté les chercheurs pendant des années.

"Un grand défi de cette approche est que, la plupart des matériaux ne se connectent pas ensemble en raison de leurs arrangements atomiques différents à l'interface - l'arrangement des atomes ne peut pas suivre les deux ensembles de règles différents en même temps, " a déclaré Chiu. "C'est comme jouer avec des Legos de différentes tailles fabriqués par différents fabricants. En conséquence, les nouveaux matériaux ne peuvent être fabriqués qu'à partir de matériaux avec des arrangements atomiques très similaires, qui ont souvent des propriétés similaires, trop. Même à ce moment là, la disposition des atomes à l'interface est irrégulière, ce qui se traduit souvent par de mauvaises qualités."

Les matériaux stratifiés tels que ceux développés par les chercheurs de la KU apportent une solution à ce problème. Contrairement aux matériaux conventionnels formés d'atomes fortement liés dans toutes les directions, le nouveau matériau comporte deux couches où chaque feuillet atomique est composé d'atomes fortement liés à leurs voisins, mais les deux feuilles atomiques ne sont elles-mêmes que faiblement liées l'une à l'autre par la force dite de van der Waals, le même phénomène attractif entre les molécules qui permet aux geckos de se coller aux murs et aux plafonds.

"Il existe environ 100 types différents de cristaux stratifiés - le graphite est un exemple bien connu, " dit Bellus. " En raison de la faible connexion entre les couches, on peut choisir n'importe quels deux types de feuilles atomiques et les superposer sans problème. C'est comme jouer aux Legos avec un fond plat. Il n'y a aucune restriction. Cette approche peut potentiellement produire un grand nombre de nouveaux matériaux avec de nouvelles propriétés combinées et transformer la science des matériaux. »

Chiu et Bellus ont créé le nouveau matériau de carbone et de bisulfure de tungstène dans le but de développer de nouveaux matériaux pour des cellules solaires efficaces. La feuille unique d'atomes de carbone, connu sous le nom de graphène, excelle à déplacer les électrons, tandis qu'une seule couche d'atomes de disulfure de tungstène absorbe bien la lumière du soleil et la convertit en électricité. En combinant les deux, ce matériau innovant peut potentiellement bien remplir les deux tâches.

L'équipe a utilisé du ruban adhésif pour soulever une seule couche d'atomes de disulfure de tungstène d'un cristal et l'appliquer sur un substrat de silicium. Prochain, ils ont utilisé la même procédure pour éliminer une seule couche d'atomes de carbone d'un cristal de graphite. Avec un microscope, ils ont précisément déposé le graphène sur la couche de disulfure de tungstène. Pour éliminer toute colle entre les deux couches atomiques qui s'introduit involontairement au cours du processus, le matériau a été chauffé à environ 500 degrés Fahrenheit pendant une demi-heure. Cela a permis à la force entre les deux couches de faire sortir la colle, résultant en un échantillon de deux couches atomiquement minces avec une interface propre.

Les doctorants He et Kumar ont testé le nouveau matériau dans le laboratoire laser ultrarapide de la KU. Les chercheurs ont utilisé une impulsion laser pour exciter la couche de disulfure de tungstène.

« Nous avons constaté que près de 100 % des électrons qui ont absorbé l'énergie de l'impulsion laser passent du disulfure de tungstène au graphène en une picoseconde, ou un millionième d'un millionième de seconde, " a déclaré Zhao. " Cela prouve que le nouveau matériau combine en effet les bonnes propriétés de chaque couche de composant. "

Les groupes de recherche dirigés par Chiu et Zhao tentent d'appliquer cette approche Lego à d'autres matériaux. Par exemple, en combinant deux matériaux qui absorbent la lumière de couleurs différentes, ils peuvent fabriquer des matériaux qui réagissent à diverses parties du spectre solaire.