Après six ans d'efforts acharnés, un groupe de scientifiques des matériaux de l'Université du Wisconsin-Madison pense que les minuscules feuilles d'oxyde de zinc semi-conducteur qu'ils produisent pourraient avoir d'énormes implications pour l'avenir d'une multitude de dispositifs électroniques et biomédicaux.

Le groupe, dirigé par Xudong Wang, un professeur UW-Madison de science et d'ingénierie des matériaux, et le chercheur postdoctoral Fei Wang—a développé une technique pour créer des feuilles presque bidimensionnelles de composés qui ne forment pas naturellement des matériaux aussi minces. C'est la première fois qu'une telle technique réussit.

Les chercheurs ont décrit leurs découvertes dans la revue Communication Nature le 20 janvier.

Essentiellement l'équivalent microscopique d'une seule feuille de papier, une nanofeuille 2D est un matériau de quelques atomes d'épaisseur seulement. Les nanomatériaux ont des propriétés électroniques et chimiques uniques par rapport aux matériaux de composition identique à plus grande, échelles conventionnelles.

"Ce qui est bien avec un nanomatériau 2D, c'est que parce que c'est une feuille, c'est beaucoup plus facile pour nous à manipuler par rapport à d'autres types de nanomatériaux, " dit Xudong Wang.

Jusqu'à maintenant, les scientifiques des matériaux étaient limités à travailler avec des nanofeuilles 2D naturelles. Ces structures 2D naturelles comprennent le graphène, une seule couche de graphite, et un nombre limité d'autres composés.

Développer une méthode fiable pour synthétiser et fabriquer des nanofeuilles 2D à partir d'autres matériaux est un objectif des chercheurs en matériaux et de l'industrie des nanotechnologies depuis des années.

Dans leur technique, l'équipe UW-Madison a appliqué un tensioactif spécialement formulé, une substance semblable à un détergent, sur la surface d'un liquide contenant des ions zinc.

En raison de ses propriétés chimiques, le tensioactif s'assemble en une seule couche à la surface du liquide, avec des ions sulfate chargés négativement pointés dans la direction du liquide. Ces ions sulfate attirent les ions zinc chargés positivement de l'intérieur du liquide vers la surface, et en quelques heures, suffisamment d'ions zinc sont aspirés pour former des nanofeuillets d'oxyde de zinc continus de seulement quelques couches atomiques d'épaisseur.

Xudong Wang a d'abord eu l'idée d'utiliser un tensioactif pour faire pousser des nanofeuillets lors d'une conférence qu'il donnait dans le cadre d'un cours sur les nanotechnologies en 2009.

"Le cours comprend un exposé sur l'auto-assemblage de monocouches, " dit-il. " Dans les bonnes conditions, un tensioactif s'auto-assemblera pour former une monocouche. C'est un processus bien connu que j'enseigne en classe. Alors en enseignant cela, Je me demandais pourquoi nous ne serions pas en mesure d'inverser cette méthode et d'utiliser d'abord la monocouche de tensioactif pour faire croître la face cristalline."

Après cinq ans d'essais et d'erreurs avec différentes solutions de tensioactifs, l'idée a payé.

"Nous sommes très enthousiasmés à ce sujet, " dit Xudong Wang. " C'est définitivement une nouvelle façon de fabriquer des nanofeuilles 2D, et il a un grand potentiel pour différents matériaux et pour de nombreuses applications différentes."

Déjà, les chercheurs ont découvert que les nanofeuillets d'oxyde de zinc 2D qu'ils ont cultivés sont capables de fonctionner comme des transistors semi-conducteurs appelés de type p, le comportement électronique inverse de l'oxyde de zinc naturel. Les chercheurs tentent depuis un certain temps de produire de l'oxyde de zinc avec des propriétés semi-conductrices fiables de type p.

L'oxyde de zinc est un composant très utile des matériaux électroniques, et les nouvelles nanofeuillets ont un potentiel d'utilisation dans les capteurs, transducteurs et dispositifs optiques.

Mais les nanofeuillets d'oxyde de zinc ne sont que le premier de ce qui pourrait être une révolution dans les nanomatériaux 2D. Déjà, l'équipe UW-Madison applique sa méthode de surfactant à la croissance de nanofeuillets 2D d'or et de palladium, et la technique est prometteuse pour la croissance de nanofeuillets à partir de toutes sortes de métaux qui ne les formeraient pas naturellement.

"Cela apporte beaucoup de nouveaux matériaux fonctionnels à cette catégorie de matériaux 2D, " dit Wang.