Qingxiao Wang (à gauche) et Hui Zhu, tous deux étudiants diplômés en science et ingénierie des matériaux à l'Université du Texas à Dallas, utilisé un microscope électronique à transmission pour observer un phénomène inattendu à l'échelle atomique (affiché sur les écrans d'ordinateur) dans un matériau qui pourrait convenir pour alimenter l'électronique de nouvelle génération. Crédit :Université du Texas à Dallas
Pour plusieurs années, une équipe de chercheurs de l'Université du Texas à Dallas a étudié divers matériaux à la recherche de ceux dont les propriétés électriques pourraient les rendre adaptés aux petits, transistors économes en énergie pour alimenter les appareils électroniques de nouvelle génération.
Ils ont récemment trouvé un tel matériel, mais ce n'était rien à quoi personne s'attendait.
Dans un article publié en ligne le 10 mars dans la revue Matériaux avancés , Le Dr Moon Kim et ses collègues décrivent un matériau qui, lorsqu'il est chauffé à environ 450 degrés Celsius, se transforme à partir d'un atomiquement mince, feuille bidimensionnelle en un réseau de nanofils unidimensionnels, chacun juste quelques atomes de large.
Une image prise en pleine transformation ressemble à un petit drapeau des États-Unis, et avec de fausses couleurs ajoutées, est sans doute la plus petite image au monde de Old Glory, dit Kim.
"La transition de phase que nous avons observée, cette nouvelle structure, n'était pas prévu par la théorie, " dit Kim, le professeur émérite Louis Beecherl Jr. de science et d'ingénierie des matériaux à l'UT Dallas.
Parce que les nanofils sont des semi-conducteurs, ils peuvent être utilisés comme dispositifs de commutation, tout comme le silicium est utilisé dans les transistors d'aujourd'hui pour allumer et éteindre le courant électrique dans les appareils électroniques.
"Ces nanofils sont environ 10 fois plus petits que les plus petits fils de silicium, et, s'il est utilisé dans une technologie future, se traduirait par de puissants appareils économes en énergie, ", a déclaré Kim. Les principaux auteurs de l'étude sont Hui Zhu et Qingxiao Wang, étudiants diplômés en science et ingénierie des matériaux à la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science.
Juste une phase ?
Lorsque certains matériaux sont soumis à des modifications des conditions extérieures, comme la température ou la pression, ils peuvent subir une transition de phase. Un exemple familier est lorsque l'eau liquide est refroidie pour former un solide (glace), ou chauffé pour former un gaz (vapeur).
Pour de nombreux matériaux, cependant, une transition de phase signifie quelque chose d'un peu différent. Lorsque la température et la pression externes changent, les atomes de ces matériaux se réarrangent et se redistribuent pour former un matériau avec une structure et une composition différentes. Ces changements peuvent affecter les propriétés du nouveau matériau, comme la façon dont les électrons se déplacent à travers elle. Pour les scientifiques intéressés par les nouvelles applications des matériaux, comprendre ces transitions est primordial.
Dans la plupart des cas, un type de graphique appelé diagramme de phase aide les chercheurs à prédire les changements de structure et de propriété dans un matériau lorsqu'il subit une transition de phase.
Mais rien ne prédisait ce que l'équipe de Kim a observé alors qu'elle menait des expériences sur un matériau appelé ditellurure de molybdène.
Ce motif de nanodrapeau microscopique a émergé lorsque des feuilles de matériau à «rayures» - le ditellurure de molybdène - ont été chauffées à environ 450 degrés Celsius, à quel point ses atomes ont commencé à se réarranger et à former de nouvelles structures - les "étoiles" dans cette image en fausses couleurs. Crédit :Université du Texas à Dallas
Nanoflags et Nanofleurs
A l'aide d'un microscope électronique à transmission, les chercheurs ont commencé avec une minceur atomique, feuilles bidimensionnelles de ditellurure de molybdène, un matériau composé d'une couche d'atomes de molybdène et de deux couches d'atomes de tellure. Le matériau appartient à une classe appelée dichalcogénures de métaux de transition (TMD), qui semblent prometteurs pour remplacer le silicium dans les transistors.
"Nous voulions comprendre la stabilité thermique de ce matériau particulier, " a déclaré Kim. "Nous avons pensé que c'était un bon candidat pour la nanoélectronique de prochaine génération. Par curiosité, nous avons cherché à savoir s'il serait stable au-dessus de la température ambiante."
Quand ils ont augmenté la température au-dessus de 450 degrés Celsius, deux choses se sont passées.
"D'abord, nous avons vu un nouveau modèle commencer à émerger qui était esthétiquement agréable à l'œil, " dit Kim. Sur la surface de l'échantillon, les rangées répétitives, ou rayures, des couches de ditellurure de molybdène ont commencé à se transformer en formes qui ressemblaient à de minuscules étoiles à six branches, ou des fleurs à six pétales.
Le matériau se transformait en hexa-molybdène hexa-tellurure, une structure filiforme unidimensionnelle. La section transversale du nouveau matériau est une structure constituée de six atomes centraux de molybdène entourés de six atomes de tellure.
Au fur et à mesure de la transition de phase, une partie de l'échantillon était encore des "rayures" et une partie était devenue des "étoiles". L'équipe a pensé que le motif ressemblait à un drapeau des États-Unis. Ils ont fait une version en fausses couleurs avec un champ bleu derrière les étoiles et la moitié des rayures colorées en rouge, pour faire un "nanoflag".
Pas dans les manuels
"Puis, lorsque nous avons examiné le matériel de plus près, nous avons constaté que la transition que nous voyions des "rayures" aux "étoiles" n'était dans aucun des diagrammes de phase, " dit Kim. " Normalement, lorsque vous chauffez des matériaux particuliers, vous vous attendez à voir émerger un type de matériau différent, comme le prédit un diagramme de phase. Mais dans ce cas, quelque chose d'inhabituel s'est produit, cela a formé une toute nouvelle phase."
Chaque nanofil individuel est un semi-conducteur, ce qui signifie que le courant électrique circulant dans le fil peut être allumé et éteint, dit Kim. Lorsque de nombreux nanofils individuels sont regroupés en vrac, ils se comportent davantage comme un métal, qui conduit facilement le courant.
"Nous voudrions utiliser les nanofils un à la fois parce que nous repoussons la taille d'un transistor aussi petit que possible, " dit Kim. " Actuellement, la plus petite taille de transistor est environ 10 fois plus grande que notre nanofil. Chacun des nôtres est inférieur à 1 nanomètre de diamètre, qui est essentiellement un fil à l'échelle atomique.
"Avant que nous puissions mettre cette découverte à profit et fabriquer un appareil réel, nous avons encore beaucoup d'études à faire, y compris déterminer comment séparer les nanofils individuels, et surmonter les défis techniques de la fabrication et de la production de masse, " dit Kim. "Mais c'est un début."
