Les scientifiques ont fait une découverte concernant les propriétés électroniques et optiques des matériaux minces. Les lignes d'atomes manquants qui traversent la surface comme des veines fonctionnent comme des « fils » pour canaliser les électrons et les paquets de lumière appelés photons, améliorer la capacité du matériau à conduire l'électricité et à convertir la lumière. Les défauts sont situés entre des lignes parallèles dans l'image de microscopie (à gauche). Un zoom avant (image de droite) montre deux lignes parallèles de haute densité de charge de chaque côté du défaut linéaire produisant le fil. La structure atomique théorique (à droite, en bas) montre la ligne manquante des atomes de sélénium dans l'or. Crédit :Département américain de l'Énergie
L'ajout de défauts pourrait-il rendre un bon matériau encore meilleur ? Les scientifiques ont découvert que des défauts linéaires dans un film mince prometteur créent des fils métalliques d'un atome d'épaisseur. Ces fils traversent le matériau autrement intact, offrant un moyen de canaliser les électrons et les photons, petits paquets de lumière. Une équipe multidisciplinaire a fait cette découverte en utilisant les ressources de la fonderie moléculaire et de la source lumineuse avancée.
L'équipe a travaillé avec des dichalcogénures de métaux de transition (TMD) car les matériaux ont des caractéristiques optiques exceptionnelles. Cette recherche a révélé qu'une seule couche TMD pourrait émettre autant de lumière qu'un matériau équivalent qui est de 10, 000 fois plus épais, ouvrant la voie à plus petit, appareils plus efficaces. Plus loin, l'équipe a découvert que des défauts d'ingénierie (introduction volontaire d'atomes manquants ou déplacés) dans les TMD pouvaient modifier leurs propriétés intrinsèques. Ces modifications pourraient améliorer le matériau ou conduire à de toutes nouvelles propriétés utiles pour une future conversion énergétique, l'informatique quantique et les systèmes de communication.
Dans le monde des semi-conducteurs, les impuretés et les défauts peuvent être une bonne chose. Ils modifient les propriétés de matériaux comme le silicium, et les scientifiques peuvent exploiter ces propriétés pour développer de meilleurs transistors pour les ordinateurs portables, téléphones intelligents, et des cellules solaires. Récemment, les scientifiques ont découvert une nouvelle classe de semi-conducteurs qui n'a que trois atomes d'épaisseur et s'étend dans un plan bidimensionnel, semblable au graphène. Ces semi-conducteurs bidimensionnels, appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMD), ont des caractéristiques optiques exceptionnelles. Ils peuvent être développés en photodétecteurs ultra-sensibles, et une seule couche TMD émet autant de lumière qu'un cristal TMD tridimensionnel composé de 10, 000 couches.
Depuis plusieurs années, les scientifiques se sont demandé si les impuretés et les défauts pouvaient également modifier les propriétés intrinsèques des TMD, peut-être de manière à améliorer le semi-conducteur ou à conduire à de nouvelles fonctionnalités. Scientifiques de la Fonderie Moléculaire, en collaboration avec des chercheurs de l'Advanced Light Source, ont fait un grand pas pour répondre à cette question. Ils ont découvert, à leur grande surprise, comment des défauts linéaires substantiels dans les TMD créent des propriétés entièrement nouvelles. Certaines de ces propriétés indiquent que des défauts dans les TMD pourraient même médier des états supraconducteurs.
L'équipe a synthétisé trois atomes d'épaisseur, nettoyer les couches de diséléniure de molybdène, qui est un type de TMD. Ils ont ensuite étudié le matériau avec un microscope qui peut visualiser les atomes et leurs fonctions d'ondes électroniques. Ils ont découvert un défaut linéaire formé par une ligne d'atomes de sélénium manquants. Ce défaut crée des fils métalliques d'un atome d'épaisseur pour transporter des électrons ou des photons à travers les veines semi-conductrices autrement intactes.
