En 2013, James Hone, Wang Fong-Jen Professeur de génie mécanique à Columbia Engineering, et des collègues de Columbia ont démontré qu'ils pouvaient améliorer considérablement les performances du graphène - du carbone bidimensionnel (2D) hautement conducteur - en l'encapsulant dans du nitrure de bore (BN), un matériau isolant avec une structure en couches similaire.

Dans un travail publié cette semaine dans l'Advance Online Publication sur Nature Nanotechnologie le site Web de, chercheurs de Columbia Engineering, Harvard, Cornell, Université du Minnesota, Université Yonsei en Corée, Université technique danoise, et l'Institut national japonais des sciences des matériaux ont montré que les performances d'un autre matériau 2D, le bisulfure de molybdène (MoS 2 ) - peut être amélioré de la même manière par l'encapsulation BN.

"Ces résultats fournissent une démonstration de la façon d'étudier tous les matériaux 2D, " dit Hone, chef de cette nouvelle étude et directeur du Materials Research Science and Engineering Center de Columbia, financé par la NSF. « Notre combinaison d'électrodes en BN et en graphène est comme une" douille "dans laquelle nous pouvons placer de nombreux autres matériaux et les étudier dans un environnement extrêmement propre pour comprendre leurs véritables propriétés et leur potentiel. Cela est très prometteur pour un large éventail d'applications, notamment -électronique performante, détection et émission de lumière, et la chimie/biodétection."

Les matériaux bidimensionnels (2D) créés par « pelage » » de couches minces atomiquement à partir de cristaux en vrac sont extrêmement extensibles, optiquement transparent, et peuvent être combinés entre eux et avec l'électronique conventionnelle de manière entièrement nouvelle. Mais ces matériaux - dans lesquels tous les atomes sont à la surface - sont par nature extrêmement sensibles à leur environnement, et leurs performances sont souvent bien en deçà des limites théoriques en raison de la contamination et des charges piégées dans les couches isolantes environnantes. Le graphène encapsulé BN que le groupe de Hone a produit l'année dernière a une mobilité électronique 50 fois améliorée - une mesure importante des performances électroniques - et un désordre inférieur qui permet l'étude de nouveaux phénomènes riches à basse température et à champs magnétiques élevés.

"Nous voulions voir ce que nous pouvions faire avec MoS 2 — c'est le semi-conducteur 2D le mieux étudié, et, contrairement au graphène, il peut former un transistor qui peut être complètement désactivé, une propriété cruciale pour les circuits numériques, " note Gwan-Hyoung Lee, co-auteur principal de l'article et professeur adjoint de science des matériaux à Yonsei. Autrefois, Les dispositifs MoS2 fabriqués sur des substrats isolants courants tels que le dioxyde de silicium ont montré une mobilité inférieure aux prévisions théoriques, varie d'un échantillon à l'autre, et reste faible lors du refroidissement à basse température, toutes les indications d'un matériel désordonné. Les chercheurs ne savent pas si le trouble est dû au substrat, comme dans le cas du graphène, ou en raison d'imperfections dans le matériau lui-même.

Dans le nouveau travail, L'équipe de Hone a créé des hétérostructures, ou des piles superposées, du MoS 2 encapsulé dans du BN, avec de petits flocons de graphène chevauchant le bord du MoS 2 pour agir comme des contacts électriques. Ils ont constaté que la mobilité à température ambiante était améliorée d'un facteur d'environ 2, approche de la limite intrinsèque. Lors du refroidissement à basse température, la mobilité a augmenté de façon spectaculaire, atteignant des valeurs de 5 à 50 fois celles mesurées précédemment (selon le nombre de couches atomiques). Comme signe supplémentaire de faible désordre, ces échantillons à haute mobilité ont également montré de fortes oscillations de résistance avec le champ magnétique, qui n'avait jamais été vu auparavant dans aucun semi-conducteur 2D.

"Cette nouvelle structure de dispositif nous permet d'étudier pour la première fois le comportement de transport quantique dans ce matériau à basse température, " a ajouté Xu Cui, doctorant en ingénierie de Columbia, le premier auteur de l'article.

En analysant la résistance à basse température et les oscillations quantiques, l'équipe a pu conclure que la principale source de désordre reste la contamination aux interfaces, indiquant que d'autres améliorations sont possibles.

"Ce travail nous motive à améliorer encore nos techniques d'assemblage de dispositifs, puisque nous n'avons pas encore atteint la limite intrinsèque pour ce matériau, " dit Hone. " Avec de nouveaux progrès, nous espérons établir les semi-conducteurs 2D comme une nouvelle famille de matériaux électroniques qui rivalisent avec les performances des hétérostructures semi-conductrices conventionnelles, mais sont créés à l'aide de ruban adhésif sur une paillasse au lieu de systèmes coûteux à vide poussé. »