Les anciennes règles ne s'appliquent pas nécessairement lors de la construction de composants électroniques à partir de matériaux bidimensionnels, selon les scientifiques de l'Université Rice.

Le laboratoire Rice du physicien théoricien Boris Yakobson a analysé des hybrides qui mettent côte à côte des matériaux 2D comme le graphène et le nitrure de bore pour voir ce qui se passe à la frontière. Ils ont découvert que les caractéristiques électroniques de ces hybrides « coplanaires » différaient de celles des composants plus volumineux.

Leurs résultats paraissent ce mois-ci dans la revue American Chemical Society Lettres nano .

Réduire l'électronique signifie réduire ses composants. Les laboratoires universitaires et les industries étudient comment des matériaux comme le graphène peuvent permettre le nec plus ultra des dispositifs minces en construisant tous les circuits nécessaires dans une couche d'une épaisseur atomique.

"Notre travail est important car les jonctions semi-conductrices sont un grand domaine, " a déclaré Yakobson. " Il existe des livres avec des modèles emblématiques de comportement électronique qui sont extrêmement bien développés et sont devenus les piliers établis de l'industrie.

« Mais ce sont tous des interfaces de masse à masse entre des métaux tridimensionnels, " a-t-il dit. " Maintenant que les gens travaillent activement à fabriquer des appareils en deux dimensions, en particulier avec l'électronique coplanaire, nous avons réalisé que les règles doivent être reconsidérées. Bon nombre des modèles établis utilisés dans l'industrie ne s'appliquent tout simplement pas."

Les chercheurs dirigés par l'étudiant diplômé de Rice, Henry Yu, ont construit des simulations informatiques qui analysent le transfert de charge entre des matériaux d'épaisseur atomique.

"C'était une étape logique pour tester notre théorie sur les métaux et les semi-conducteurs, qui ont des propriétés électroniques très différentes, " dit Yu. " Cela fait du graphène, qui est un métal - ou un semi-métal, pour être précis—le bisulfure de molybdène et le nitrure de bore, qui sont des semi-conducteurs, ou même leurs systèmes hybrides idéaux à étudier.

"En réalité, ces matériaux ont été largement fabriqués et utilisés dans la communauté depuis près d'une décennie, ce qui rend leur analyse plus appréciable sur le terrain. Par ailleurs, les deux hybrides de disulfure de graphène-molybdène et de nitrure de graphène-bore ont été synthétisés avec succès récemment, ce qui signifie que notre étude a une signification pratique et peut être testée en laboratoire maintenant, " il a dit.

Yakobson a déclaré que les matériaux 3-D ont une région étroite pour le transfert de charge à la jonction positive et négative (ou p/n). Mais les chercheurs ont découvert que les interfaces 2D créaient "un transfert de charge hautement non localisé" - et un champ électrique avec lui - qui augmentait considérablement la taille de la jonction. Cela pourrait leur donner un avantage dans les applications photovoltaïques comme les cellules solaires, les chercheurs ont dit.

Le laboratoire a construit une simulation d'un hybride de graphène et de bisulfure de molybdène et a également considéré le graphène-nitrure de bore et le graphène dont la moitié a été dopée pour créer une jonction p/n. Leurs calculs ont prédit que la présence d'un champ électrique devrait rendre les dispositifs Schottky (unidirectionnels) 2-D comme les transistors et les diodes plus accordables en fonction de la taille de l'appareil lui-même.

La façon dont les atomes s'alignent les uns avec les autres est également importante, dit Yakobson. Le graphène et le nitrure de bore présentent tous deux des réseaux hexagonaux, donc ils s'emboîtent parfaitement. Mais le bisulfure de molybdène, un autre matériau prometteur, n'est pas exactement plat, bien qu'il soit toujours considéré comme 2-D.

"Si les structures atomiques ne correspondent pas, vous obtenez des liens ou des défauts pendants le long de la frontière, " dit-il. " La structure a des conséquences sur le comportement électronique, surtout pour ce qu'on appelle l'épinglage au niveau de Fermi."

L'épinglage peut dégrader les performances électriques en créant une barrière énergétique à l'interface, Yakobson a expliqué. "Mais votre barrière Schottky (dans laquelle le courant se déplace dans une seule direction) ne change pas comme prévu. C'est un phénomène bien connu pour les semi-conducteurs; c'est juste cela en deux dimensions, c'est différent, et dans ce cas, peut favoriser les systèmes 2D par rapport aux systèmes 3D. »

Yakobson a déclaré que les principes avancés par le nouveau document s'appliqueraient aux hybrides à motifs de deux ou plusieurs patchs 2D. "Vous pouvez faire quelque chose de spécial, mais les effets de base sont toujours aux interfaces. Si vous voulez avoir plusieurs transistors dans le même plan, C'est bon, mais il faut quand même prendre en compte les effets aux carrefours.

"Il n'y a aucune raison pour que nous ne puissions pas construire des redresseurs 2D, transistors ou éléments de mémoire, " dit-il. " Ils seront les mêmes que ceux que nous utilisons couramment dans les appareils maintenant. Mais à moins que nous développions une connaissance fondamentale appropriée de la physique, ils peuvent échouer à faire ce que nous concevons ou planifions."