Une image Raman du Nittany Lion montre les possibilités de structuration sur grande surface des dichalcoginides de métaux de transition 2D. Crédit :Eichfeld, État de Pennsylvanie
Les possibilités du nouveau domaine du bidimensionnel, matériaux d'une seule couche atomique, y compris, mais sans s'y limiter, le graphène, paraissent presque illimitées. Dans de nouvelles recherches, Les scientifiques des matériaux de Penn State rapportent deux découvertes qui fourniront un moyen simple et efficace de « pochoir » des matériaux 2D de haute qualité à des emplacements précis et de surmonter un obstacle à leur utilisation dans l'électronique de nouvelle génération.
En 2004, la découverte d'un moyen d'isoler une seule couche atomique de carbone, le graphène, a ouvert un nouveau monde de matériaux 2D avec des propriétés que l'on ne retrouve pas nécessairement dans le monde 3D familier. Parmi ces matériaux se trouvent un grand groupe d'éléments, les métaux de transition, qui se situent au milieu du tableau périodique. Lorsque les atomes de certains métaux de transition, par exemple le molybdène, sont superposés entre deux couches d'atomes des éléments chalcogénures, comme le soufre ou le sélénium, le résultat est un sandwich à trois couches appelé dichalcogénure de métal de transition. Les TMD ont suscité un vif intérêt parmi les scientifiques des matériaux en raison de leur potentiel pour de nouveaux types d'électronique, optoélectronique et calcul.
"Ce sur quoi nous nous sommes concentrés dans cet article, c'est la capacité de fabriquer ces matériaux sur de grandes surfaces d'un substrat précisément aux endroits où nous les voulons, " dit Joshua Robinson, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux. "Ces matériaux présentent un intérêt pour une variété d'électronique de nouvelle génération, pas nécessairement pour remplacer le silicium, mais pour augmenter les technologies actuelles et finalement pour apporter de nouvelles fonctionnalités de puce au silicium que nous n'avions jamais auparavant. »
Afin d'intégrer des TMD avec du silicium dans des transistors, les fabricants de puces devront disposer d'une méthode pour placer les atomes précisément là où ils sont nécessaires. Cette méthode n'était pas disponible jusqu'à présent. Dans leur article 2D Materials, "Croissance en zone sélective et couplage de substrat contrôlé des dichalcogénures de métaux de transition, " Robinson et son groupe manifestent, pour la première fois, une méthode simple pour créer des motifs précis de matériaux bidimensionnels en utilisant des techniques familières à tout laboratoire de nanotechnologie.
Le tableau périodique met en évidence les familles d'éléments chalcogénures. Crédit :Joshua Robinson/Penn State
"Il s'avère que le processus est simple, " explique Robinson. " Nous filons de la résine photosensible sur l'échantillon en salle blanche, comme si nous allions commencer à fabriquer un appareil. Il peut s'agir de l'un des nombreux polymères utilisés dans la nanofabrication. Nous l'exposons ensuite à la lumière ultraviolette dans les zones souhaitées, et nous la développons comme une photographie. Lorsque le polymère a été exposé à la lumière, ça se lave, et nous nettoyons ensuite la surface avec des procédés standard de gravure au plasma. Les matériaux 2D ne pousseront que dans les zones qui ont été nettoyées."
Une deuxième découverte simple décrite dans ce travail qui pourrait aider à faire avancer le domaine de la recherche TMD consiste à surmonter le fort effet qu'un substrat a sur les matériaux 2D cultivés sur le substrat. Dans ce cas, bisulfure de molybdène, un semiconducteur TMD très étudié, a été cultivé sur un substrat de saphir en utilisant des techniques de dépôt à base de poudre typiques. Cela a abouti aux propriétés de l'interface saphir/disulfure de molybdène contrôlant les propriétés souhaitées du bisulfure de molybdène, ce qui le rend impropre à la fabrication de dispositifs.
« Nous avions besoin de découpler les effets du substrat sur la couche 2D sans transférer les couches du saphir, " dit Robinson, « et nous avons donc simplement essayé de tremper le matériau cultivé dans de l'azote liquide et de le retirer dans l'air pour « craquer » l'interface. Il s'est avéré que cela suffisait pour séparer le bisulfure de molybdène du saphir et se rapprocher des performances intrinsèques de le bisulfure de molybdène."
Le processus est suffisamment doux pour affaiblir les liaisons reliant le matériau 2D au substrat sans le libérer complètement. Le mécanisme exact de relâchement des obligations est toujours à l'étude, en raison de la complexité de ce « processus simple, " a déclaré Robinson. Les deux matériaux rétrécissent à des vitesses différentes, ce qui pourrait les faire éclater, mais cela pourrait aussi être dû au bouillonnement de l'azote liquide lorsqu'il se transforme en gaz, ou même contact avec la vapeur d'eau dans l'air qui forme de la glace sur l'échantillon.
"Nous travaillons toujours à comprendre le mécanisme exact, mais nous savons que cela fonctionne très bien, au moins avec du bisulfure de molybdène, " dit Robinson.
