Ce schéma représente la couche 2D de MoS2 utilisée dans ces expériences. Comme on le voit ici, la couche n'a que trois atomes d'épaisseur, démontre pourtant des propriétés optiques étonnantes. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Dans la dernière décennie, bidimensionnel, 2-D, matériaux ont capturé la fascination d'un nombre sans cesse croissant de scientifiques. Ces matériaux, dont la caractéristique déterminante est d'avoir une épaisseur de seulement un à très peu d'atomes, peut être constitué d'une variété d'éléments différents ou de combinaisons de ceux-ci. L'enchantement des scientifiques pour les matériaux 2D a commencé avec l'expérience lauréate du prix Nobel d'Andre Geim et Konstantin Novoselov :créer un matériau 2D à l'aide d'un morceau de graphite et d'un ruban adhésif ordinaire. Cette expérience ingénieusement simple a donné un matériau incroyable :le graphène. Ce matériau ultra-léger est environ 200 fois plus résistant que l'acier et est un excellent conducteur. Une fois que les scientifiques ont découvert que le graphène avait des propriétés plus impressionnantes que son composant en vrac, le graphite, ils ont décidé d'étudier d'autres matériaux 2D pour voir s'il s'agissait d'une propriété universelle.
Christophe Petoukhoff, un étudiant diplômé de la Rutgers University travaillant dans l'unité de spectroscopie femtoseconde de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), étudie un matériau 2D, en bisulfure de molybdène (MoS2). Ses recherches portent sur les applications optoélectroniques du matériau 2D, ou comment le matériau peut détecter et absorber la lumière. L'optoélectronique est omniprésente dans le monde d'aujourd'hui, des photodétecteurs des portes automatiques et des sèche-mains, aux cellules solaires, aux lumières LED, mais comme vous le dira quiconque s'est tenu devant un évier automatique en agitant désespérément les mains pour le faire fonctionner, il y a beaucoup de place pour l'amélioration. Le MoS2 2-D est particulièrement intéressant pour une utilisation dans les photodétecteurs en raison de sa capacité à absorber la même quantité de lumière que 50 nm des technologies à base de silicium actuellement utilisées, tout en étant 70 fois plus mince.
Petoukhoff, sous la direction du professeur Keshav Dani, cherche à améliorer les dispositifs optoélectroniques en ajoutant une couche 2-D de MoS2 à un semi-conducteur organique, qui a des forces d'absorption similaires à celles du MoS2. La théorie derrière l'utilisation des deux matériaux est que l'interaction entre la couche de MoS2 et le semi-conducteur organique devrait conduire à un transfert de charge efficace. les recherches de Petoukhoff, Publié dans ACS Nano , démontre pour la première fois que le transfert de charge entre ces deux couches se produit à une échelle de temps ultra-rapide, de l'ordre de moins de 100 femtosecondes, ou un dixième d'un millionième d'un millionième de seconde.
Cette figure représente le semi-conducteur organique, dans ce cas P3HT :PCBM en rouge, avec une couche de MoS2 2-D sur une métasurface plasmonique d'argent. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
La finesse de ces matériaux, cependant, devient un facteur limitant de leur efficacité en tant que photovoltaïque, ou des dispositifs de conversion d'énergie lumineuse. Appareils absorbant la lumière, comme les cellules solaires et les photodétecteurs, nécessitent une certaine épaisseur optique pour absorber les photons, plutôt que de les laisser passer. Pour surmonter cela, des chercheurs de l'unité de spectroscopie femtoseconde ont ajouté un réseau de nanoparticules d'argent, ou une métasurface plasmonique, à l'hybride semi-conducteur organique-MoS2 pour focaliser et localiser la lumière dans l'appareil. L'ajout de la métasurface augmente l'épaisseur optique du matériau tout en capitalisant sur les propriétés uniques de la couche active ultra-mince, ce qui augmente finalement l'absorption totale.
Bien que cette recherche en soit encore à ses balbutiements, ses implications pour l'avenir sont énormes. Les combinaisons avec des matériaux 2D ont le potentiel de révolutionner la commercialisation des dispositifs optoélectroniques. Les dispositifs optoélectroniques conventionnels sont coûteux à fabriquer et sont souvent constitués d'éléments rares ou toxiques, comme l'indium ou l'arsenic. Les semi-conducteurs organiques ont de faibles coûts de fabrication, et sont constitués d'éléments abondants en terre et non toxiques. Cette recherche peut potentiellement améliorer le coût et l'efficacité de l'optoélectronique, conduisant à de meilleurs produits à l'avenir.
