La rotation mutuelle de deux monocouches d'un matériau semi-conducteur crée une variété de modèles d'empilement de bicouches, en fonction de l'angle de torsion. Une caractérisation rapide et efficace de ces modèles d'empilement peut aider à l'exploration d'applications potentielles en électronique et en optoélectronique. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
L'empilement de couches de matériaux semi-conducteurs nanométriques sous différents angles est une nouvelle approche pour concevoir la prochaine génération de transistors et de cellules solaires écoénergétiques. Les atomes de chaque couche sont disposés en réseaux hexagonaux. Lorsque deux couches sont empilées et tournées, les atomes d'une couche se chevauchent avec ceux de l'autre couche et peuvent former un nombre infini de motifs superposés, comme les motifs Moiré qui résultent de la superposition de deux écrans et de la rotation de l'un au-dessus de l'autre. Les calculs théoriques prédisent d'excellentes propriétés électroniques et optiques pour certains motifs d'empilement, mais pratiquement, comment créer et caractériser ces motifs ?
Récemment, une équipe dirigée par des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a utilisé les vibrations entre deux couches pour déchiffrer leurs modèles d'empilement. L'équipe a utilisé une méthode appelée spectroscopie Raman à basse fréquence pour mesurer la vibration des couches les unes par rapport aux autres et a comparé les fréquences des vibrations mesurées avec leurs valeurs théoriquement prédites. Leur étude fournit une plate-forme pour l'ingénierie de matériaux bidimensionnels (2D) avec des propriétés optiques et électroniques qui dépendent fortement des configurations d'empilement. Les résultats sont publiés dans ACS Nano , un journal de l'American Chemical Society.
"Spectroscopie Raman basse fréquence, en combinaison avec la modélisation des premiers principes, offre une approche simple et rapide pour révéler des configurations d'empilement complexes dans les bicouches torsadées d'un semi-conducteur prometteur, sans recourir à d'autres techniques expérimentales coûteuses et chronophages, " a déclaré le co-auteur principal Liangbo Liang, un Wigner Fellow à l'ORNL. "Nous sommes les premiers à montrer que les spectres Raman basse fréquence peuvent être utilisés comme empreintes digitales pour caractériser l'empilement relatif des couches dans les matériaux semi-conducteurs 2D."
Dans la diffusion Raman, une méthode optique pour sonder les vibrations atomiques, un matériau diffuse la lumière monochromatique d'un laser. Alors que la spectroscopie Raman conventionnelle peut sonder plus d'environ 3 000 milliards de vibrations atomiques par seconde, la spectroscopie Raman basse fréquence détecte les vibrations qui sont un ordre de grandeur plus lentes. La technique basse fréquence est sensible aux faibles forces d'attraction entre couches, appelé accouplement van der Waals. Il peut fournir des informations cruciales sur l'épaisseur des couches et l'empilement, des aspects qui régissent les propriétés fondamentales des matériaux 2D.
"Ce travail combine synthèse et traitement de pointe de matériaux 2D, leur caractérisation spectroscopique unique, et l'interprétation des données à l'aide de la théorie des premiers principes, " a déclaré le co-auteur principal Alex Puretzky. " La spectroscopie Raman haute résolution qui peut sonder les modes basse fréquence nécessite une instrumentation spécialisée, et seuls quelques endroits dans le monde ont une telle capacité avec des outils avancés de synthèse et de caractérisation, et une expertise en théorie et en modélisation informatique. Le Center for Nanophase Materials Sciences de l'ORNL en fait partie."
Dépôt chimique en phase vapeur, largement utilisé pour synthétiser des matériaux 2D comme le graphène, a été utilisé pour fabriquer des monocouches cristallines parfaitement triangulaires de diséléniure de molybdène d'une épaisseur de seulement trois atomes. Des molécules d'alimentation d'oxyde de molybdène et de soufre ont été mises à réagir dans un gaz en circulation dans un four à haute température pour former les cristaux triangulaires sur des substrats de silicium.
"De nombreux paramètres doivent être correctement ajustés pour synthétiser de grandes, cristaux 2D triangulaires avec succès, " dit Puretzky. " Alors, retirer soigneusement les cristaux et les empiler précisément dans différentes orientations est un grand défi."
Il a continué, « Le précis, la forme triangulaire équilatérale des cristaux synthétisés et transférés nous a permis de mesurer les angles de torsion avec une grande précision en utilisant des images standard de microscopie optique et à force atomique, ce qui a été un facteur clé dans nos expériences."
Les aspects théoriques et informatiques étaient également difficiles. "La spectroscopie Raman est fortement basée sur la théorie pour l'interprétation et l'attribution des spectres Raman observés, en particulier pour les nouveaux matériaux qui n'ont jamais été mesurés auparavant, " a déclaré Puretzky.
L'étude a révélé des motifs dans les bicouches empilées qui dépendent fortement de l'angle de torsion. Certains angles de torsion spécifiques, bien que, ont montré des patchs se répétant périodiquement avec la même orientation d'empilement. "Ces modèles uniques peuvent fournir une nouvelle plate-forme pour les applications optoélectroniques de ces matériaux, " a déclaré Puretzky.
Les découvertes de l'équipe ont également montré des effets fascinants des vibrations entre les couches. Comme différents modèles d'empilement apparaissaient lorsque les couches étaient déplacées, des espacements variables se sont produits entre les couches à certains angles de torsion spécifiques. Les chercheurs prévoient d'autres mesures et modélisations pour différentes configurations d'empilement afin de mieux comprendre comment ces désintégrations vibratoires pourraient altérer les propriétés thermiques de ces matériaux, connaissances qui pourraient affecter les applications de dissipation thermique et de conversion d'énergie thermoélectrique.
