Un dispositif nanomécanique conçu par des scientifiques de l'Université Rice est utilisé pour mesurer la résistance de nanomatériaux bidimensionnels comme le diséléniure de molybdène, le sujet d'une étude récente de Rice qui l'a trouvé beaucoup plus cassant que le graphène. Crédit :Lou Group/Rice University
Des scientifiques de l'Université Rice ont découvert qu'un matériau d'épaisseur atomique recherché pour l'électronique flexible et les dispositifs optiques de nouvelle génération est plus fragile que prévu.
L'équipe Rice dirigée par le scientifique des matériaux Jun Lou a testé la résistance à la traction de deux dimensions, diséléniure de molybdène semi-conducteur et a découvert que des défauts aussi petits qu'un atome manquant peuvent initier une fissuration catastrophique sous contrainte.
Le rapport de l'équipe paraît ce mois-ci dans Matériaux avancés .
Cette découverte peut amener l'industrie à examiner plus attentivement les propriétés des matériaux 2D avant de les incorporer dans de nouvelles technologies, il a dit.
"Il s'avère que tous les cristaux 2-D ne sont pas égaux, " dit Lou, un professeur Rice de science des matériaux et de nano-ingénierie. "Le graphène est beaucoup plus robuste que certains des autres auxquels nous avons affaire en ce moment, comme ce diséléniure de molybdène. Nous pensons que cela a quelque chose à voir avec les défauts inhérents à ces matériaux."
Les défauts pourraient être aussi petits qu'un seul atome qui laisse une lacune dans la structure cristalline, il a dit. "Il est très difficile de les détecter, " dit-il. " Même si un groupe de postes vacants fait un plus grand trou, il est difficile à trouver en utilisant n'importe quelle technique. Il serait peut-être possible de les voir avec un microscope électronique à transmission, mais cela demanderait tellement de travail que ce ne serait pas utile. »
Le diséléniure de molybdène est un dichalcogénure, un matériau semi-conducteur bidimensionnel qui apparaît comme un réseau hexagonal de type graphène d'en haut mais qui est en fait un sandwich d'atomes métalliques entre deux couches d'atomes de chalcogène, dans ce cas, sélénium. Le diséléniure de molybdène est envisagé pour une utilisation comme transistors et dans les cellules solaires de nouvelle génération, photodétecteurs et catalyseurs ainsi que dispositifs électroniques et optiques.
Lou et ses collègues ont mesuré le module d'élasticité du matériau, la quantité d'étirement qu'un matériau peut supporter tout en revenant à son état initial, à 177,2 (plus ou moins 9,3) gigapascals. Le graphène est plus de cinq fois plus élastique. Ils ont attribué la grande variation à des défauts préexistants compris entre 3,6 et 77,5 nanomètres.
Sa résistance à la rupture, la quantité d'étirement qu'un matériau peut supporter avant de se casser, a été mesurée à 4,8 (plus ou moins 2,9) gigapascals. Le graphène est près de 25 fois plus fort.
Une partie du projet dirigé par le chercheur postdoctoral Rice Yingchao Yang nécessitait de déplacer le diséléniure de molybdène d'une chambre de croissance dans un four de dépôt chimique en phase vapeur vers un microscope sans introduire plus de défauts. Yang a résolu le problème en utilisant un processus de transfert à sec à la place d'un lavage acide standard qui aurait ruiné les échantillons.
Vu d'en haut, les atomes du diséléniure de molybdène bidimensionnel ressemblent à une grille hexagonale, comme le graphène. Mais en réalité, les atomes de molybdène plus foncés sont pris en sandwich entre les couches supérieure et inférieure d'atomes de séléniure. Les chercheurs de l'Université Rice ont testé le matériau pour sa résistance à la traction. Crédit :Lou Group/Rice University
Pour tester des échantillons, Yang a placé des rectangles de diséléniure de molybdène sur une plate-forme de microscope électronique sensible inventée par le groupe Lou. Les forces naturelles de van der Waals maintenaient les échantillons en place sur des bras en porte-à-faux élastiques qui mesuraient la contrainte appliquée.
Lou a déclaré que le groupe avait tenté de mesurer la résistance à la rupture du matériau, un indicateur de la probabilité de propagation des fissures, comme ils l'avaient fait dans une étude précédente sur le graphène. Mais ils ont découvert que la pré-coupe de fissures dans le diséléniure de molybdène entraînait son éclatement avant que la contrainte ne puisse être appliquée, il a dit.
"Le message important de ce travail est la nature fragile de ces matériaux, " a déclaré Lou. "Beaucoup de gens pensent à utiliser des cristaux 2D parce qu'ils sont intrinsèquement minces. Ils pensent à l'électronique flexible car ce sont des semi-conducteurs et leur résistance élastique théorique devrait être très élevée. D'après nos calculs, ils peuvent être étirés jusqu'à 10 pour cent.
"Mais en réalité, en raison des défauts inhérents, vous pouvez rarement atteindre autant de force. Les échantillons que nous avons testés jusqu'à présent se sont cassés à 2 à 3 pour cent (du maximum théorique) au plus, " dit Lou. " Cela devrait toujours être bien pour la plupart des applications flexibles, mais à moins qu'ils ne trouvent un moyen d'éteindre les défauts, il sera très difficile d'atteindre les limites théoriques."
Une séquence montre un échantillon de diséléniure de molybdène monté sur un appareil de mesure nanomécanique à l'Université Rice, où les scientifiques déterminent que le matériau est beaucoup plus fragile que prévu. La matière à épaisseur atomique est progressivement étirée sur les photos, dans le sens des aiguilles d'une montre en partant du haut à gauche, jusqu'à ce qu'il se sépare complètement. Les chercheurs soupçonnent que des défauts aussi petits qu'un seul atome sont le point de départ du comportement fragile. Crédit :Lou Group/Rice University
