Une histoire de couverture apparaissant dans la revue à comité de lecture Horizons à l'échelle nanométrique signale un nouveau matériau bicouche, avec chaque couche mesurant moins d'un nanomètre d'épaisseur, qui pourrait un jour conduire à une émission de lumière plus efficace et plus polyvalente.

Des chercheurs travaillant au Ultrafast Laser Lab de l'Université du Kansas ont réussi à créer le matériau en combinant des couches atomiquement minces de bisulfure de molybdène et de bisulfure de rhénium.

"Les deux absorbent très bien la lumière comme les semi-conducteurs, et ils sont tous les deux très flexibles peuvent être étirés ou compressés, " dit Hui Zhao, professeur agrégé de physique et d'astronomie à la KU, qui a co-écrit le document. "Le but de toute cette direction de recherche est de produire des dispositifs électroluminescents, telles que les LED ultrafines (quelques nanomètres d'épaisseur seulement) et suffisamment flexibles pour que vous puissiez les plier. Nous avons montré à travers ce matériau bicouche, il peut être atteint."

Pour expliquer la percée, Zhao compare le comportement des électrons dans le nouveau matériau à une salle de classe.

"On peut penser à un matériau comme à une salle de classe pleine d'étudiants - qui sont les électrons - un sur chaque siège, " dit-il. " Assis sur un siège, un étudiant - ou un électron - ne peut pas se déplacer librement pour conduire l'électricité. La lumière peut fournir suffisamment d'énergie pour tenir debout certains élèves, qui peut maintenant se déplacer librement et, sous forme d'électrons, pour conduire l'électricité. Ce processus est à la base des dispositifs photovoltaïques, où l'énergie de la lumière du soleil est captée et convertie en électricité."

Le chercheur de la KU a déclaré que l'émission de lumière implique le processus inverse, dans lequel un électron debout s'assoit sur un siège, libérant son énergie cinétique sous forme de lumière.

"Pour faire un bon matériau pour les dispositifs d'émission de lumière, il ne faut pas seulement les électrons qui transportent l'énergie, mais aussi les "sièges" - appelés trous - pour que les électrons s'assoient, " il a dit.

Études antérieures de plusieurs groupes, y compris celui de Zhao, ont produit divers matériaux bicouches en empilant différents types de feuilles atomiques. Cependant, dans ces matériaux, les électrons et les "sièges" existent dans des couches atomiques différentes.

"Parce que les électrons ne peuvent pas facilement trouver des sièges, l'efficacité d'émission lumineuse de ces matériaux bicouches est très faible - plus de 100 fois inférieure à celle d'une couche atomique, " il a dit.

Mais dans le nouveau matériel annoncé par Zhao et ses co-auteurs, "Tous les électrons et leurs sièges seront dans leur couche d'origine, au lieu de séparer. L'émission de lumière sera beaucoup plus forte."

Zhao et ses collègues chercheurs Matthew Bellus, Samuel Lane, Frank Ceballos et Qiannan Cui, tous les étudiants diplômés en physique de la KU, et Ming Li et Xiao Cheng Zeng de l'Université du Nebraska-Lincoln ont créé le nouveau matériau en utilisant la même méthode low-tech "Scotch tape" pionnière dans la création de graphène, le matériau à couche unique qui a valu à ses créateurs le prix Nobel de physique en 2010.

"Il y a une astuce, " Dit Zhao. " Vous utilisez du scotch pour décoller une couche du cristal, puis vous pliez le ruban plusieurs fois, Ainsi, lorsque vous poussez le ruban contre un substrat et que vous le décollez rapidement, une partie du matériau restera sur le substrat. Sous un microscope, les sections de couche à un seul atome auront une couleur différente en raison de leur épaisseur, un peu comme un mince film d'huile sur de l'eau."

Les chercheurs du Ultrafast Laser Lab de la KU, dirigé par Bellus, le premier auteur de l'article, puis accompli l'étape la plus difficile :empiler la couche MoS2 sur ReS2, avec une précision meilleure qu'un micromètre. Les feuilles atomiquement minces étaient reliées par la force dite de van der Waals, la même force qui permet à un gecko d'escalader une vitre lisse. "La force de van der Waals n'est pas très sensible à l'arrangement atomique, " dit Zhao. " Alors, on peut utiliser ces feuillets atomiques pour former des matériaux multicouches, à la manière des Legos atomiques."

Une fois les échantillons réalisés, les membres de l'équipe ont utilisé des lasers ultrarapides pour observer le mouvement des électrons et des sièges entre les deux couches atomiques, et ils ont vu des preuves claires que les électrons et les sièges peuvent passer de MoS2 à ReS2, mais pas dans la direction opposée.

Ce faisant, l'équipe a confirmé les calculs théoriques effectués par Li et Zeng, qui avait auparavant analysé les propriétés apparentées d'une douzaine de feuillets atomiques, et prédit que les bicouches formées par MoS2 et ReS2 seraient prometteuses comme base de la technologie LED.

Selon Zhao, le but ultime est de développer une méthode qui permet un contrôle précis de la localisation des électrons et des sièges entre les différentes couches atomiques afin que les propriétés électroniques et optiques du matériau puissent être contrôlées et optimisées.

« Nous aimerions un jour voir des LED plus fines, plus économe en énergie et pliable, " dit-il. " Pensez à un écran d'ordinateur ou de téléphone si vous pouviez le plier plusieurs fois ou et le mettre dans votre poche. "