Un nouveau matériau plat d'une épaisseur d'un atome qui pourrait surpasser le matériau miracle du graphène et faire progresser la technologie numérique a été découvert par un physicien de l'Université du Kentucky en collaboration avec des scientifiques de Daimler en Allemagne et de l'Institute for Electronic Structure and Laser (IESL) en Grèce.

Signalé dans Examen physique B, le nouveau matériau est composé de silicium, bore et azote — tout léger, éléments peu coûteux et abondants en terre - et est extrêmement stable, une propriété qui manque à de nombreuses autres alternatives au graphène.

"Nous avons utilisé des simulations pour voir si les liens se briseraient ou se désintégreraient - cela ne s'est pas produit, " dit Madhu Menon, un physicien au UK Center for Computational Sciences. "Nous avons chauffé le matériau jusqu'à 1, 000 degrés Celsius et il ne s'est toujours pas cassé."

Grâce à des calculs théoriques de pointe, Menon et ses collaborateurs Ernst Richter de Daimler et ancien associé de recherche post-doctoral du Département britannique de physique et d'astronomie, et Antonis Andriotis de l'IESL, ont démontré qu'en combinant les trois éléments, il est possible d'obtenir une épaisseur d'un atome, un matériau véritablement 2D avec des propriétés qui peuvent être affinées pour s'adapter à diverses applications au-delà de ce qui est possible avec le graphène.

Alors que le graphène est présenté comme le matériau le plus résistant au monde avec de nombreuses propriétés uniques, il a un inconvénient :ce n'est pas un semi-conducteur et déçoit donc dans l'industrie de la technologie numérique. La recherche ultérieure de nouveaux matériaux semi-conducteurs 2D a conduit les chercheurs à une nouvelle classe de matériaux à trois couches appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMDC). Les TMDC sont principalement des semi-conducteurs et peuvent être transformés en processeurs numériques avec une efficacité supérieure à tout ce qui est possible avec le silicium. Cependant, ceux-ci sont beaucoup plus volumineux que le graphène et constitués de matériaux qui ne sont pas nécessairement abondants en terre et peu coûteux.

À la recherche d'une meilleure option qui soit légère, terre abondante, bon marché et un semi-conducteur, l'équipe dirigée par Menon a étudié différentes combinaisons d'éléments des première et deuxième rangées du tableau périodique.

Bien qu'il existe de nombreuses façons de combiner le silicium, du bore et de l'azote pour former des structures planes, un seul arrangement spécifique de ces éléments a abouti à une structure stable. Les atomes de la nouvelle structure sont disposés selon un motif hexagonal comme dans le graphène, Mais c'est là où la similitude se termine.

Les trois éléments formant le nouveau matériau ont tous des tailles différentes; les liaisons reliant les atomes sont également différentes. Par conséquent, les côtés des hexagones formés par ces atomes sont inégaux, contrairement au graphène. Le nouveau matériau est métallique, mais peut être rendu semi-conducteur facilement en attachant d'autres éléments au-dessus des atomes de silicium.

La présence de silicium offre également la possibilité passionnante d'une intégration transparente avec la technologie actuelle à base de silicium, permettant à l'industrie de s'éloigner lentement du silicium au lieu de l'éliminer complètement, tout à la fois.

« Nous savons que la technologie à base de silicium atteint ses limites car nous assemblons de plus en plus de composants et rendons les processeurs électroniques de plus en plus compacts, " dit Menon. " Mais nous savons que cela ne peut pas durer indéfiniment; nous avons besoin de matériaux plus intelligents."

Par ailleurs, en plus de créer une bande interdite électronique, la fixation d'autres éléments peut également être utilisée pour modifier de manière sélective les valeurs de bande interdite - un avantage clé par rapport au graphène pour la conversion de l'énergie solaire et les applications électroniques.

D'autres matériaux de type graphène ont été proposés mais n'ont pas les atouts du matériau découvert par Menon et son équipe. Silicène, par exemple, n'a pas de surface plane et forme finalement une surface 3D. D'autres matériaux sont très instables, certains seulement pendant quelques heures tout au plus.

La majeure partie des calculs théoriques requis ont été effectués sur les ordinateurs du UK Center for Computational Sciences, les collaborateurs Richter et Andriotis y accédant directement via des réseaux rapides. Maintenant, l'équipe travaille en étroite collaboration avec une équipe dirigée par Mahendra Sunkara du Conn Center for Renewable Energy Research de l'Université de Louisville pour créer le matériau en laboratoire. L'équipe du Conn Center a eu des collaborations étroites avec Menon sur un certain nombre de nouveaux systèmes de matériaux où ils ont pu tester sa théorie avec des expériences pour un certain nombre de plusieurs nouveaux matériaux solaires.

"Nous sommes très impatients que cela soit fait en laboratoire, " a dit Menon. " Le test ultime de toute théorie est la vérification expérimentale, donc le plus tôt sera le mieux !"

Certaines des propriétés, comme la capacité à former divers types de nanotubes, sont discutés dans le document, mais Menon s'attend à ce que d'autres émergent avec une étude plus approfondie.

« Cette découverte ouvre un nouveau chapitre de la science des matériaux en offrant de nouvelles opportunités aux chercheurs d'explorer la flexibilité fonctionnelle et de nouvelles propriétés pour de nouvelles applications, " dit-il. " On peut s'attendre à des surprises. "