Graphène, un réseau d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome, est souvent présenté comme un substitut au silicium dans les appareils électroniques en raison de sa conductivité extrêmement élevée et de sa finesse imbattable. Mais le graphène n'est pas le seul matériau bidimensionnel qui pourrait jouer un tel rôle.

Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont fait des progrès dans la fabrication d'un tel matériau, bisulfure de molybdène. En faisant pousser des flocons du matériau autour des "graines" d'oxyde de molybdène, ils ont facilité le contrôle de la taille, épaisseur et emplacement du matériau.

Contrairement au graphène, le bisulfure de molybdène a une bande interdite énergétique, ce qui signifie que sa conductivité peut être activée et désactivée. Un tel trait est essentiel pour les dispositifs à semi-conducteurs utilisés en informatique. Une autre différence est que le bisulfure de molybdène émet de la lumière, ce qui signifie qu'il pourrait être utilisé dans des applications comme les LED, capteurs auto-rapportés et optoélectronique.

L'étude a été dirigée par A. T. Charlie Johnson, professeur au département de physique et d'astronomie de la Penn's School of Arts &Sciences, et comprend des membres de son laboratoire, Gang Hee Han, Nicolas Kybert, Carl Naylor et Jinglei Ping. Ritesh Agarwal, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la Penn's School of Engineering and Applied Science; membres de son laboratoire, Bumsu Lee et Joohee Park; et Jisoo Kang, un étudiant à la maîtrise dans le programme de nanotechnologie de Penn. Ils ont collaboré avec des chercheurs de l'Université Sungkyunkwan de Corée du Sud, Si Young Lee et Young Hee Lee.

Leur étude a été publiée dans la revue Communication Nature .

"Tout ce que nous faisons avec de l'électronique ordinaire, nous aimerions pouvoir le faire avec des matériaux bidimensionnels, "                                                                                          . mais il manque cette propriété critique, pouvoir allumer et éteindre. Le disulfure de molybène vous donne cela.

La conductivité ultra-élevée du graphène signifie qu'il peut déplacer les électrons plus rapidement que tout autre matériau connu, mais ce n'est pas la seule qualité qui compte pour l'électronique. Pour les transistors qui constituent la base de la technologie informatique moderne, être capable d'arrêter le flux d'électrons est également essentiel.

"Le bisulfure de molybène n'est pas aussi conducteur que le graphène, " Naylor a dit, "mais il a un rapport marche/arrêt très élevé. Nous avons besoin de 1 et de 0 pour faire le calcul; le graphène ne peut nous donner que des 1 et des 0,5."

D'autres groupes de recherche ont pu fabriquer de petits flocons de bisulfure de molybdène de la même manière que le graphène a été fabriqué pour la première fois, en l'exfoliant, ou décoller des couches atomiquement minces du matériau en vrac. Plus récemment, d'autres chercheurs ont adopté une autre technique issue de la fabrication du graphène, dépôt chimique en phase vapeur, où le molybdène et le soufre sont chauffés en gaz et laissés à décanter et cristalliser sur un substrat.

Le problème avec ces méthodes est que les flocons résultants se forment de manière dispersée.

"Entre la chasse aux flocons, " dit Kybert, "et en s'assurant qu'ils sont de la bonne taille et de la bonne épaisseur, il faudrait des jours pour faire une seule mesure de leurs propriétés"

L'avancée de l'équipe Penn consistait à développer un moyen de contrôler où les flocons se forment dans la méthode de dépôt chimique en phase vapeur, en "ensemençant" le substrat avec un précurseur.

"Nous commençons par déposer une petite quantité d'oxyde de molybdène aux endroits que nous voulons, " Naylor a dit, "puis on coule dans du gaz sulfureux. Dans les bonnes conditions, ces graines réagissent avec le soufre et les flocons de bisulfure de molybdène se développent."

« Il y a de la finesse dans l'optimisation des conditions de croissance, " Johnson a dit, "mais nous exerçons plus de contrôle, déplacer le matériau dans le sens d'être capable de faire des systèmes compliqués. Parce que nous le cultivons où nous le voulons, nous pouvons fabriquer des appareils plus facilement. Nous avons toutes les autres parties des transistors dans une couche séparée que nous plaçons au-dessus des flocons, faire des dizaines et potentiellement des centaines, d'appareils à la fois. Ensuite, nous avons pu observer que nous fabriquions des transistors qui s'allumaient et s'éteignaient comme ils étaient censés le faire et des appareils qui émettent de la lumière comme ils sont censés le faire. »

Pouvoir faire correspondre l'emplacement des flocons de bisulfure de molybdène avec l'électronique correspondante a permis aux chercheurs de sauter une étape qu'ils doivent franchir lors de la fabrication d'appareils à base de graphène. Là, le graphène est cultivé en grandes feuilles puis coupé à la bonne taille, un processus qui augmente le risque de contamination dommageable.

Les travaux futurs sur ces dispositifs au bisulfure de molybdène viendront compléter les recherches de l'équipe de recherche sur les biocapteurs à base de graphène; plutôt que de transmettre la détection d'une molécule à un ordinateur, Les capteurs à base de bisulfure de molybdène pourraient signaler directement un événement de liaison par le biais d'un changement dans la lumière qu'ils émettent.

Cette recherche représente également les premières étapes qui peuvent être appliquées à la fabrication d'une nouvelle famille de matériaux bidimensionnels.

"On peut remplacer le molybdène par du tungstène et le soufre par du sélénium, " Naylor a dit, « et descendez simplement le tableau périodique à partir de là. Nous pouvons imaginer cultiver tous ces différents matériaux aux endroits que nous choisissons et tirer parti de toutes leurs différentes propriétés. »