Les matériaux bidimensionnels ont une multitude de propriétés exotiques car ils n'ont qu'un atome d'épaisseur. Les chercheurs d'A*STAR ont maintenant développé une méthode pour créer de vastes zones de matériau atomique mince pour une utilisation dans des appareils électroniques.

Graphène, une seule couche d'atomes de carbone disposés en un motif en nid d'abeille, est l'exemple le plus célèbre d'un matériau bidimensionnel. Il est plus solide que l'acier, a d'excellentes propriétés électriques, et pourraient être utilisés pour fabriquer des dispositifs bidimensionnels beaucoup plus petits que ceux actuellement fabriqués à partir de silicium massif ou à couche mince. Cependant, ce n'est pas un semi-conducteur. Et donc les scientifiques se tournent vers d'autres matériaux qui ont cette propriété essentielle pour créer des transistors.

Shijie Wang de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR et ses collaborateurs ont maintenant démontré une technique pour créer une seule couche atomique de bisulfure de molybdène, un semi-conducteur bidimensionnel.

Le bisulfure de molybdène appartient à une famille de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition. Ils ont deux atomes de chalcogénure (comme le soufre, sélénium ou tellure) pour chaque atome de métal de transition (le molybdène et le tungstène en sont des exemples). Ces matériaux et leur large gamme de propriétés électriques constituent un excellent système de matériaux de plate-forme pour une électronique polyvalente. Mais créer des matériaux de haute qualité sur des surfaces suffisamment grandes pour une production à l'échelle industrielle est difficile.

"Les méthodes traditionnelles d'exfoliation mécanique pour obtenir des matériaux bidimensionnels ont une utilité limitée dans les applications commerciales, et toutes les méthodes chimiques précédentes sont incompatibles pour l'intégration avec la fabrication de dispositifs, " dit Wang. "Notre technique est un processus en une étape qui permet de produire des films monocouches de bonne qualité, ou quelques couches de films de bisulfure de molybdène, à l'échelle d'une plaquette sur divers substrats en utilisant la pulvérisation cathodique magnétron."

L'équipe a tiré un faisceau d'ions argon sur une cible de molybdène dans une chambre à vide. Cela a éjecté des atomes de molybdène de la surface où ils ont réagi avec une vapeur de soufre à proximité. Ces atomes se sont ensuite assemblés sur un substrat chauffé en saphir ou en silicium. L'équipe a découvert qu'ils pouvaient cultiver une monocouche, bicouche, échantillons tricouches ou plus épais en modifiant la puissance du faisceau d'ions argon ou le temps de dépôt.

Ils ont confirmé la qualité de leur matériel en utilisant un certain nombre d'outils de caractérisation communs, notamment la spectroscopie Raman, microscopie à force atomique, Spectroscopie photoélectronique aux rayons X et microscopie électronique à transmission. Les chercheurs ont également démontré les excellentes propriétés électriques de leurs films de bisulfure de molybdène en créant un transistor fonctionnel (voir image).

"Notre prochaine étape dans ce travail se concentrera sur l'application de cette technique pour synthétiser d'autres matériaux bidimensionnels et les intégrer avec différents matériaux pour diverses applications de dispositifs, " dit Wang.