L'équipe de recherche de l'Université des sciences et technologies de Pohang, affilié au Centre des systèmes électroniques artificiels de faible dimension de l'Institut des sciences fondamentales, signalé une bande interdite réglable dans BP, modifiant efficacement le matériau semi-conducteur en un état de matière unique avec une dispersion anisotrope. Ce résultat de recherche permet potentiellement une grande flexibilité dans la conception et l'optimisation de dispositifs électroniques et optoélectroniques comme les panneaux solaires et les lasers de télécommunication. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Une équipe coréenne de scientifiques ajuste la bande interdite du phosphore noir pour former un conducteur supérieur, permettant à l'application d'être produite en série pour les dispositifs électroniques et optoélectroniques.
L'équipe de recherche de l'Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH), affilié au Centre des systèmes électroniques artificiels de faible dimension (CALDES) de l'Institute for Basic Science (IBS), signalé une bande interdite réglable dans BP, modifiant efficacement le matériau semi-conducteur en un état de matière unique avec une dispersion anisotrope. Ce résultat de recherche permet potentiellement une grande flexibilité dans la conception et l'optimisation de dispositifs électroniques et optoélectroniques comme les panneaux solaires et les lasers de télécommunication.
Pour vraiment comprendre l'importance des conclusions de l'équipe, il est essentiel de comprendre la nature des matériaux bidimensionnels (2D), et pour cela il faut remonter à 2010 quand le monde des matériaux 2D était dominé par une simple feuille mince de carbone, une forme stratifiée d'atomes de carbone construits pour ressembler à un nid d'abeilles, appelé graphène. Le graphène a été présenté dans le monde entier comme un matériau miracle grâce aux travaux de deux scientifiques britanniques qui ont remporté le prix Nobel de physique pour leurs recherches à son sujet.
Le graphène est extrêmement fin et possède des attributs remarquables. Il est plus solide que l'acier mais plusieurs fois plus léger, plus conducteur que le cuivre et plus souple que le caoutchouc. Toutes ces propriétés combinées en font un formidable conducteur de chaleur et d'électricité. Une couche sans défaut est également imperméable à tous les atomes et molécules. Cette fusion en fait un matériau terriblement attrayant à appliquer aux développements scientifiques dans une grande variété de domaines, comme l'électronique, aérospatiale et sportive. Pour toutes ses promesses éblouissantes, il y a cependant un inconvénient; le graphène n'a pas de bande interdite.
Le phosphèrene est le successeur naturel du graphène. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Des tremplins vers un état unique
La bande interdite d'un matériau est fondamentale pour déterminer sa conductivité électrique. Imaginez deux traversées de rivières, un avec des tremplins serrés, et l'autre avec de grands écarts entre les pierres. Le premier est beaucoup plus facile à traverser car un saut entre deux pierres serrées nécessite moins d'énergie. Une bande interdite est à peu près la même; plus l'écart est petit, plus le courant peut se déplacer efficacement à travers le matériau et plus le courant est fort.
Le graphène a une bande interdite de zéro dans son état naturel, cependant, et agit ainsi comme un chef d'orchestre; le potentiel semi-conducteur ne peut pas être réalisé car la conductivité ne peut pas être coupée, même à basse température. Cela dilue évidemment son attrait en tant que semi-conducteur, car la coupure de la conductivité est une partie vitale de la fonction d'un semi-conducteur.
Naissance d'une révolution
Le phosphore est le quinzième élément du tableau périodique et donne son nom à toute une classe de composés. En effet, il pourrait être considéré comme un archétype de la chimie elle-même. Le phosphore noir est la forme stable du phosphore blanc et tire son nom de sa couleur distinctive. Comme le graphène, BP est un semi-conducteur et également bon marché à produire en masse. La seule grande différence entre les deux est la bande interdite naturelle de BP, permettant au matériau d'allumer et d'éteindre son courant électrique. L'équipe de recherche a testé sur quelques couches de BP appelé phosphorène qui est un allotrope du phosphore.
Keun Su Kim, un aimable professeur en poste à POSTECH parle en rafales rapides en détaillant l'expérience, "Nous avons transféré des électrons du dopant - le potassium - à la surface du phosphore noir, qui a confiné les électrons et nous a permis de manipuler cet état. Le potassium produit un champ électrique puissant, ce dont nous avions besoin pour régler la taille de la bande interdite."
Ce processus de transfert d'électrons est connu sous le nom de dopage et a induit un effet Stark géant, qui a réglé la bande interdite permettant à la valence et aux bandes conductrices de se rapprocher, abaissant efficacement la bande interdite et la modifiant radicalement à une valeur comprise entre 0,0 et 0,6 électron-volt (eV) par rapport à sa valeur intrinsèque d'origine de 0,35 eV. Le professeur Kim a expliqué, "Le graphène est un semi-métal de Dirac. Il est plus efficace à l'état naturel que le phosphore noir mais il est difficile d'ouvrir sa bande interdite ; nous avons donc ajusté la bande interdite de BP pour qu'elle ressemble à l'état naturel du graphène, un état de la matière unique qui est différent des semi-conducteurs conventionnels."
Le potentiel de cette nouvelle forme améliorée de phosphore noir dépasse tout ce que l'équipe coréenne espérait, et très bientôt, il pourrait potentiellement être appliqué à plusieurs secteurs, y compris l'ingénierie, où les ingénieurs électriciens peuvent ajuster la bande interdite et créer des appareils avec le comportement exact souhaité. La révolution 2D, il semble, est arrivé et est là pour le long terme.
