Complexe, des matrices évolutives d'hétérojonctions semi-conductrices - des blocs de construction prometteurs pour l'électronique future - ont été formées dans une monocouche cristalline bidimensionnelle de déséléniure de molybdène en convertissant les régions exposées lithographiquement en bisulfure de molybdène à l'aide d'un dépôt laser pulsé d'atomes de soufre. Les atomes de soufre (vert) ont remplacé les atomes de sélénium (rouge) dans les régions exposées lithographiquement (en haut) comme le montre la cartographie spectroscopique Raman (en bas). Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Semi-conducteurs, les métaux et les isolants doivent être intégrés pour fabriquer les transistors qui sont les briques électroniques de votre smartphone, ordinateur et autres appareils à puce électronique. Les transistors d'aujourd'hui sont minuscules – à peine 10 nanomètres de large – et formés de cristaux tridimensionnels (3D).
Mais une nouvelle technologie perturbatrice se profile qui utilise des cristaux bidimensionnels (2D), seulement 1 nanomètre d'épaisseur, pour permettre l'électronique ultra-mince. Des scientifiques du monde entier étudient des cristaux 2D fabriqués à partir de matériaux en couches communs pour limiter le transport des électrons dans deux dimensions seulement. Les chercheurs avaient déjà trouvé des moyens de modeler par lithographie des couches uniques d'atomes de carbone appelées graphène en "fils" en forme de ruban avec une isolation fournie par une couche similaire de nitrure de bore. Mais jusqu'à présent, ils manquaient de méthodes de synthèse et de traitement pour modéliser lithographiquement des jonctions entre deux semi-conducteurs différents au sein d'une seule couche d'un nanomètre d'épaisseur pour former des transistors, les éléments constitutifs des appareils électroniques ultrafins.
Maintenant pour la première fois, des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont combiné un nouveau processus de synthèse avec des techniques commerciales de lithographie par faisceau d'électrons pour produire des matrices de jonctions semi-conductrices selon des motifs arbitraires au sein d'un seul cristal semi-conducteur d'un nanomètre d'épaisseur. Le processus repose sur la transformation des régions à motifs d'un existant, cristal monocouche dans un autre. Les chercheurs sont d'abord devenus célibataires, couches nanométriques de cristaux de diséléniure de molybdène sur des substrats, puis déposé des motifs protecteurs d'oxyde de silicium en utilisant des techniques de lithographie standard. Ensuite, ils ont bombardé les régions exposées des cristaux avec un faisceau d'atomes de soufre généré par laser. Les atomes de soufre ont remplacé les atomes de sélénium dans les cristaux pour former du bisulfure de molybdène, qui a une structure cristalline presque identique. Les deux cristaux semi-conducteurs formaient des jonctions nettes, les blocs de construction souhaités de l'électronique. Communication Nature rapporte l'accomplissement.
"Nous pouvons littéralement faire n'importe quel type de motif que nous voulons, " a déclaré Masoud Mahjouri-Samani, qui a codirigé l'étude avec David Geohegan. Geohegan, chef du groupe Synthèse et assemblage fonctionnel des nanomatériaux de l'ORNL au Centre des sciences des matériaux en nanophase, est le chercheur principal d'un projet de science fondamentale du Département de l'énergie axé sur les mécanismes de croissance et la synthèse contrôlée des nanomatériaux. Des millions de blocs de construction 2D avec de nombreux motifs peuvent être créés simultanément, Mahjouri-Samani a ajouté. À l'avenir, il peut être possible de produire des motifs différents en haut et en bas d'une feuille. Une complexité supplémentaire pourrait être introduite en superposant des feuilles avec des motifs différents.
Ajouté Geohegan, "Le développement d'une solution évolutive, Un processus facile à mettre en œuvre pour créer des motifs lithographiques et former facilement des hétérojonctions semi-conductrices latérales dans des cristaux bidimensionnels répond à un besoin critique de « blocs de construction » pour permettre aux dispositifs ultraminces de nouvelle génération pour des applications allant de l'électronique grand public flexible à l'énergie solaire. »
Réglage de la bande interdite
"Nous avons choisi le dépôt laser pulsé de soufre en raison du contrôle numérique qu'il vous donne sur le flux de la matière qui vient à la surface, " a déclaré Mahjouri-Samani. " Vous pouvez essentiellement faire n'importe quel type d'alliage intermédiaire. Vous pouvez simplement remplacer, dire, 20 pour cent du sélénium avec du soufre, ou 30 pour cent, ou 50 pour cent. » a ajouté Geohegan, "Le dépôt par laser pulsé permet également d'ajuster l'énergie cinétique des atomes de soufre, vous permettant d'explorer un plus large éventail de conditions de traitement."
Il est important qu'en contrôlant le rapport soufre/sélénium dans le cristal, les chercheurs peuvent régler la bande interdite des semi-conducteurs, un attribut qui détermine les propriétés électroniques et optiques. Pour fabriquer des dispositifs optoélectroniques tels que des écrans électroluminescents, les fabricants de puces intègrent des semi-conducteurs avec différentes bandes interdites. Par exemple, la bande interdite du bisulfure de molybdène est supérieure à celle du diséléniure de molybdène. L'application d'une tension à un cristal contenant les deux semi-conducteurs provoque le déplacement des électrons et des "trous" (charges positives créées lorsque les électrons s'évacuent) du bisulfure de molybdène au diséléniure de molybdène et se recombine pour émettre de la lumière à la bande interdite du diséléniure de molybdène. Pour cette raison, l'ingénierie des bandes interdites des systèmes monocouches peut permettre la génération de lumière avec de nombreuses couleurs différentes, ainsi que permettre d'autres applications telles que les transistors et les capteurs, dit Mahjouri-Samani.
Ensuite, les chercheurs verront si leur méthode de vaporisation et de conversion laser pulsée fonctionnera avec des atomes autres que le soufre et le sélénium. « Nous essayons de créer des systèmes plus complexes dans un plan 2D – intégrer plus d'ingrédients, mettre dans différents blocs de construction, car à la fin de la journée, un dispositif de travail complet nécessite différents semi-conducteurs, métaux et isolants, " a déclaré Mahjouri-Samani.
Pour comprendre le processus de conversion d'un cristal d'un nanomètre d'épaisseur en un autre, les chercheurs ont utilisé les puissantes capacités de microscopie électronique disponibles à l'ORNL, notamment la microscopie électronique à transmission à balayage à contraste Z à résolution atomique, qui a été développé au laboratoire et est maintenant disponible pour les scientifiques du monde entier à l'aide du Center for Nanophase Materials Sciences. En utilisant cette technique, les microscopistes électroniques Andrew Lupini et le scientifique invité Leonardo Basile ont imagé des réseaux hexagonaux de colonnes individuelles d'atomes dans les cristaux de diséléniure de molybdène et de bisulfure de molybdène d'une épaisseur nanométrique.
"Nous pourrions directement distinguer les atomes de soufre et de sélénium par leurs intensités dans l'image, " a déclaré Lupini. " Ces images et la spectroscopie de perte d'énergie des électrons ont permis à l'équipe de caractériser l'hétérojonction des semi-conducteurs avec une précision atomique. "
