Les propriétés remarquables des matériaux 2D, constitués d'une seule couche d'atomes, en ont fait l'un des matériaux les plus étudiés de notre temps. Ils ont le potentiel d'inaugurer une nouvelle génération d'électronique améliorée, piles et appareils sensoriels, entre autres applications.

Un obstacle à la réalisation des applications de ces matériaux est le coût et le temps nécessaires aux études expérimentales. Cependant, les simulations informatiques aident les chercheurs à surmonter ce défi afin de caractériser avec précision les structures et les fonctions des matériaux à un rythme accéléré.

Au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les chercheurs ont simulé la croissance du silicène, un matériau 2D aux propriétés électroniques attractives. Leur travail, Publié dans Nanoéchelle , fournit des informations nouvelles et utiles sur les propriétés et le comportement du matériau et offre un modèle prédictif pour les autres chercheurs étudiant les matériaux 2D.

Aller de l'avant, ce modèle peut accélérer la compréhension des chercheurs des matériaux 2D, et nous rapprochent de la réalisation de leurs applications dans un large éventail d'industries.

Dans les simulations, Les chercheurs d'Argonne ont observé de la silicène, constitué d'une couche d'atomes de silicium, évoluer au fur et à mesure de sa croissance sur l'iridium métallique. Les scientifiques ont développé leur modèle avec le soutien du Center for Nanoscale Materials d'Argonne et de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) - tous deux du DOE Office of Science User Facilities - et en utilisant des données expérimentales sur la croissance de la silice.

"Nous avons utilisé des données expérimentales pour construire le modèle, " dit Mathew Cherukara, Chercheur postdoctoral Argonne et auteur principal. "Nous avons ensuite utilisé cette version du modèle pour faire des prédictions dans différentes conditions, et aussi apprendre les processus physiques sous-jacents qui régissent la croissance du matériau. »

Les auteurs ont ensuite travaillé avec des chercheurs de l'ALCF pour simuler la croissance de silicène atome par atome. Ils ont simulé le matériau dans des conditions variables, modifier des variables telles que la température et la vitesse à laquelle le silicène s'est déposé, jusqu'à ce qu'ils trouvent les meilleures conditions pour créer un single, couche uniforme.

« En gros, nous avons fait des « expériences » virtuelles pour optimiser différentes variables, le tout à un coût bien moindre qu'en laboratoire, " dit Badri Narayanan, Scientifique des matériaux d'Argonne et coauteur principal. "Maintenant, d'autres peuvent éviter une grande partie des essais et des erreurs au sein du laboratoire. Au lieu de cela, ils peuvent expérimenter en utilisant l'ensemble optimisé de conditions que notre modèle prédit pour obtenir au mieux les structures et les propriétés qu'ils désirent."

Avec de la silicène, les atomes de silicium peuvent s'organiser en quatre, anneaux à cinq voire six membres, formant des amas ou des îles. Ses propriétés matérielles peuvent changer radicalement en fonction du nombre d'atomes dans un anneau, la taille et la distribution de ces anneaux et la façon dont ils se connectent les uns aux autres au fil du temps.

« Dans les simulations, nous avons eu recours à des algorithmes d'apprentissage automatique pour identifier ces minuscules clusters à la volée, " a déclaré le boursier postdoctoral Argonne et co-auteur Henry Chan. " La taille et la forme des grappes et la façon dont elles se combinent dictent en fin de compte les propriétés de ces matériaux 2D. "

L'un des avantages de la modélisation de matériaux 2D tels que le silicène est que les chercheurs peuvent visualiser les interactions et configurations atomiques, comme la formation de grappes intermédiaires au cours du processus de croissance. Ceux-ci évoluent souvent trop vite pour que les chercheurs puissent les capturer pendant les expériences.

"Il est très difficile de capturer des amas ou des îles en formation car ils se produisent sur des échelles de temps très courtes et des échelles de longueur minuscules, " dit Subramanian Sankaranarayanan, Scientifique et co-auteur d'Argonne. "Nos simulations, qui ne capturent que des dizaines de nanosecondes, réussissent à montrer comment ces minuscules structures se forment et révèlent les conditions optimales pour réellement ajuster les structures d'une manière ou d'une autre."

« La croissance du silicium par la migration des îles et la coalescence » a fait la couverture du numéro d'août de Nanoéchelle .