Propriétés souhaitables, y compris une conductivité électrique accrue, propriétés mécaniques améliorées, ou le magnétisme pour le stockage en mémoire ou le traitement de l'information peut être possible grâce à une méthode théorique de contrôle des joints de grains dans les matériaux bidimensionnels, selon les scientifiques des matériaux de Penn State.

Les matériaux bidimensionnels (2D) ont fait l'objet d'études intenses au cours de la dernière décennie, mais avant les travaux de Yuanxi Wang, un récent doctorat de Penn State et Vincent H. Crespi, éminent professeur de physique, science et ingénierie des matériaux et chimie à Penn State, personne n'avait conçu un moyen général de contrôler l'emplacement et le type de joints de grains dans les matériaux 2D.

"Lorsque vous faites pousser un matériau 2D, un film mince, vous déposez des matériaux sur un substrat, " expliqua Crespi. " Alors que les atomes tombent sur le substrat, ils s'auto-organisent en zones cristallines appelées grains."

Quand les grains se dilatent, ils se heurtent à d'autres régions cristallines en croissance, et où ils se rencontrent s'appelle le joint de grain. Mais comme carreler un sol en jetant les carreaux au hasard, l'orientation des grains et joints de grains est arbitraire, ce qui affecte les propriétés du matériau.

Jusqu'à ce travail, publié dans la revue Lettres nano , ces joints de grains aléatoires étaient largement considérés comme des sous-produits malheureux du processus de dépôt.

"Typiquement, lorsque vous cultivez un matériau, ces joints de grains aléatoires sont mauvais, " a déclaré Crespi. "Les atomes ne s'accouplent pas comme ils le font dans les cristaux ordinaires. Le courant et la chaleur ne passent pas facilement. Ils ont tendance à diffuser de la chaleur et des électrons."

Crespi et Wang ont eu l'idée qu'en manipulant le substrat sous-jacent, ils pouvaient prédéterminer où commenceraient et finiraient les joints de grains, et les faire aligner dans des positions ordonnées. Les formes clés étaient basées sur ce qu'on appelle la courbure de Gauss, une série de bosses et de creux hémisphériques sur un substrat qui ressemble à une boîte à œufs.

Wang a fait des calculs qui ont montré que pour deux matériaux 2D largement étudiés, le graphène et le bisulfure de molybdène, la croissance formerait des joints de grains à des endroits spécifiques plutôt que de se détacher du substrat ou de développer des plis indésirables. Si le matériau 2D n'adhère pas bien au substrat, cela va générer un pli.

« Nous avons constaté que l'énergétique et la cinétique de la formation des joints de grains par rapport à un pli ou à un détachement, étaient favorables au graphène et au bisulfure de molybdène, et applicable à tout matériau 2D, " a dit Wang. " Mais aucune bosse ne ferait l'affaire. Ils doivent avoir une courbure de Gauss."

Les applications incluent le stockage en mémoire, où le contrôle de l'état magnétique d'un système de jointure de grain magnétique 2D en appliquant une tension serait une capacité très utile. Le contrôle fin des propriétés électroniques via les joints de grains pourrait également être utilisé en spintronique, qui traite l'information en utilisant le spin des électrons. Ces joints de grains contrôlent aussi souvent les propriétés mécaniques des matériaux, comme la façon dont ils réagissent sous étirement.

"Cela donne aux gens une nouvelle façon de penser à l'optimisation des propriétés des matériaux 2D où ils ont plus de contrôle qu'auparavant, " a déclaré Crespi. " Nous ne savions pas que nous pouvions avoir un contrôle aussi fin des joints de grains, et donc nous n'avons pas pensé à étudier attentivement le magnétisme, propriétés thermiques et électroniques des joints de grains en vue de créer des « matériaux de joint de grains » dont les propriétés sont déterminées par une distribution contrôlée de joints de grains spécifiés. »

Leur article dans Lettres nano s'intitule "Théorie des limites de grains de longueur finie de l'angle de décalage contrôlé dans les matériaux bidimensionnels".