Epitaxie, ou faire croître des couches de film cristallin qui sont calibrées par un substrat cristallin, est un pilier de la fabrication de transistors et de semi-conducteurs. Si le matériau d'une couche déposée est le même que le matériau de la couche suivante, il peut être énergétiquement favorable pour que des liens forts se forment entre le très ordonné, couches parfaitement assorties. En revanche, essayer de superposer des matériaux différents est un grand défi si les réseaux cristallins ne correspondent pas facilement. Puis, les faibles forces de van der Waals créent une attraction mais ne forment pas de liens forts entre des couches différentes.

Dans une étude menée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, les scientifiques ont synthétisé un empilement de monocouches atomiquement minces de deux semi-conducteurs à réseau mésapparié. Une, séléniure de gallium, est un semi-conducteur de "type p", riches en porteurs de charges appelés « trous ». L'autre, diséléniure de molybdène, est un semi-conducteur de "type n", riche en porteurs de charges électroniques. Là où les deux couches semi-conductrices se rencontrent, ils ont formé une hétérostructure atomiquement pointue appelée jonction p-n, qui a généré une réponse photovoltaïque en séparant les paires électron-trou générées par la lumière. La réalisation de la création de cette cellule solaire atomiquement mince, Publié dans Avancées scientifiques , montre la promesse de synthétiser des couches dépareillées pour permettre de nouvelles familles de matériaux fonctionnels bidimensionnels (2D).

L'idée d'empiler différents matériaux les uns sur les autres n'est pas nouvelle en soi. En réalité, c'est la base de la plupart des appareils électroniques utilisés aujourd'hui. Mais un tel empilement ne fonctionne généralement que lorsque les matériaux individuels ont des réseaux cristallins très similaires, c'est à dire., ils ont un bon "correspondance en treillis". C'est là que cette recherche innove en cultivant des couches de haute qualité de matériaux 2D très différents, en élargissant le nombre de matériaux pouvant être combinés et en créant ainsi une gamme plus large de dispositifs électroniques potentiels atomiquement minces.

"Parce que les deux couches avaient un si grand décalage de réseau entre elles, il est très inattendu qu'ils grandissent l'un sur l'autre de manière ordonnée, " a déclaré Xufan Li de l'ORNL, auteur principal de l'étude. "Mais ça a marché."

Le groupe a été le premier à montrer que des monocouches de deux types différents de chalcogénures métalliques - des composés binaires de soufre, le sélénium ou le tellure avec un élément ou un radical plus électropositif - ayant des constantes de réseau si différentes peuvent être cultivés ensemble pour former une bicouche d'empilement parfaitement alignée. "C'est une nouveauté, bloc de construction potentiel pour l'optoélectronique à haut rendement énergétique, " dit Li.

Lors de la caractérisation de leur nouveau bloc de construction bicouche, les chercheurs ont découvert que les deux couches dépareillées s'étaient auto-assemblées en un ordre atomique répétitif à longue portée qui pouvait être directement visualisé par les motifs de moiré qu'ils montraient au microscope électronique. "Nous avons été surpris que ces motifs s'alignent parfaitement, " dit Li.

Chercheurs du groupe Nanomatériaux Hybrides Fonctionnels de l'ORNL, dirigé par David Geohegan, a mené l'étude avec des partenaires de l'Université Vanderbilt, l'Université de l'Utah et le Centre de recherche en sciences informatiques de Pékin.

"Ces nouvelles hétérostructures en couches dépareillées 2D ouvrent la porte à de nouveaux blocs de construction pour les applications optoélectroniques, " a déclaré l'auteur principal Kai Xiao de l'ORNL. " Ils peuvent nous permettre d'étudier de nouvelles propriétés physiques qui ne peuvent pas être découvertes avec d'autres hétérostructures 2D avec des réseaux appariés. Ils offrent un potentiel pour un large éventail de phénomènes physiques allant du magnétisme interfacial, supraconductivité et effet papillon de Hofstadter."

Li a d'abord cultivé une monocouche de diséléniure de molybdène, puis a poussé une couche de séléniure de gallium sur le dessus. Cette technique, appelé « épitaxie van der Waals, " est nommé pour les forces d'attraction faibles qui maintiennent des couches dissemblables ensemble. " Avec l'épitaxie de van der Waals, malgré de gros décalages de réseau, vous pouvez toujours faire pousser une autre couche sur la première, " dit Li. En utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage, l'équipe a caractérisé la structure atomique des matériaux et a révélé la formation de motifs moirés.

Les scientifiques prévoient de mener de futures études pour explorer comment le matériau s'aligne pendant le processus de croissance et comment la composition du matériau influence les propriétés au-delà de la réponse photovoltaïque. La recherche fait progresser les efforts visant à incorporer des matériaux 2D dans les appareils.

Pendant de nombreuses années, la superposition de différents composés avec des tailles de cellules de réseau similaires a été largement étudiée. Différents éléments ont été incorporés dans les composés pour produire un large éventail de propriétés physiques liées à la supraconductivité, magnétisme et thermoélectrique. Mais la superposition de composés 2D ayant des tailles de cellules de réseau différentes est un territoire pratiquement inexploré.

« Nous avons ouvert la porte à l'exploration de tous les types d'hétérostructures dépareillées, " dit Li.

Le titre de l'article est "Hétérojonctions bicouches inadaptées GaSe/MoSe2 à deux dimensions par épitaxie van der Waals".