Formation de canaux 1D. une, Schéma du processus de structuration guidé par des dislocations inadaptées (marquées comme « T ») à l'hétérojonction latérale MoS2-WSe2. b, c, Images ADF-STEM à résolution atomique superposées avec leurs cartes de déformation εxx (voir Fig. 2 pour plus de détails) identifiant les dislocations périodiques à l'interface de MoS2 et WSe2 (b) et les canaux 1D créés par la migration chimique des dislocations interfaciales comme des atomes de S et Mo supplémentaires sont ajoutés (c). Les cartes de contraintes font référence au réseau WSe2. Crédit: Matériaux naturels (2017). doi:10.1038/nmat5038
Les "matériaux bidimensionnels" - des matériaux déposés en couches de quelques atomes d'épaisseur seulement - sont prometteurs à la fois pour l'électronique haute performance et flexible, électronique transparente qui pourrait être superposée sur des surfaces physiques pour rendre l'informatique omniprésente.
Le matériau 2D le plus connu est le graphène, qui est une forme de carbone, mais récemment, des chercheurs ont étudié d'autres matériaux 2D, comme le bisulfure de molybdène, qui ont le leur, avantages distincts.
Produire de l'électronique utile, cependant, nécessite l'intégration de plusieurs matériaux 2D dans le même plan, ce qui est un défi difficile. En 2015, des chercheurs de l'Université King Abdullah en Arabie saoudite ont mis au point une technique de dépôt de bisulfure de molybdène (MoS2) à côté de diséléniure de tungstène (WSe2), avec une jonction très nette entre les deux matériaux. Avec une variante de la technique, des chercheurs de l'Université Cornell ont alors découvert qu'ils pouvaient induire de longs, des fils droits de MoS2 - seulement quelques atomes de diamètre - pour s'étendre dans le WSe2, tout en préservant la jonction propre.
Les chercheurs ont contacté Markus Buehler, le professeur d'ingénierie McAfee au département de génie civil et environnemental du MIT, spécialisé dans les modèles atomiques de propagation de fissures, pour voir si son groupe pourrait aider à expliquer ce phénomène étrange.
Dans le dernier numéro de Matériaux naturels , le roi Abdallah, Cornell, et l'équipe de chercheurs du MIT avec des collègues de l'Academia Sinica, l'Académie nationale de recherche taïwanaise, et Texas Tech University pour décrire à la fois la méthode de dépôt de matériau et le mécanisme sous-jacent à la formation des nanofils de MoS2, que les chercheurs du MIT ont pu modéliser informatiquement.
« La fabrication de nouveaux matériaux 2D reste encore un défi, " Buehler dit. "La découverte de mécanismes par lesquels certaines structures matérielles souhaitées peuvent être créées est la clé pour déplacer ces matériaux vers des applications. Dans ce processus, le travail conjoint de simulation et d'expérimentation est essentiel pour progresser, en particulier en utilisant des modèles de matériaux au niveau moléculaire qui permettent de nouvelles orientations de conception."
Cablé
La capacité de créer longtemps, les canaux MoS2 minces dans WSe2 pourraient avoir un certain nombre d'applications, disent les chercheurs.
Un léger décalage entre les structures hexagonales du bisulfure de molybdène et du diséléniure de tungstène crée une contrainte qui peut être libérée par la formation d'une "dislocation 5|7, " dans lequel deux hexagones s'effondrent pour former un pentagone et un heptagone. Les réactions avec le bisulfure de molybdène dans l'environnement provoquent un déplacement plus profond de la dislocation dans le diséléniure de tungstène, dessiner un nanofil de bisulfure de molybdène derrière lui. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
« Sur la base des propriétés électriques et optiques [des matériaux], les gens envisagent d'utiliser MoS2 et WSe2 pour les cellules solaires ou pour la séparation de l'eau en fonction de la lumière du soleil, " dit Gang Seob Jung, un étudiant diplômé du MIT en génie civil et environnemental et coauteur du nouveau document. « La plupart des choses intéressantes se produisent au niveau de l'interface. Lorsque vous n'avez pas qu'une seule interface - s'il existe de nombreuses interfaces de nanofils - cela pourrait améliorer l'efficacité d'une cellule solaire, même si c'est assez aléatoire."
Mais l'explication théorique du mécanisme moléculaire sous-jacent à la formation des nanofils laisse aussi espérer que leur formation pourra être contrôlée, pour permettre l'assemblage de composants électroniques à l'échelle atomique.
"Matériaux bidimensionnels, l'un des candidats les plus prometteurs pour l'électronique du futur, besoin en fin de compte de battre les appareils à base de silicium, qui ont déjà atteint une taille de quelques nanomètres, " dit Yimo Han, un étudiant diplômé de Cornell en chimie et premier auteur de l'article. « Les matériaux bidimensionnels sont les plus minces dans le sens vertical, mais s'étendent toujours sur une assez grande surface dans les dimensions latérales. Nous avons fabriqué les canaux sans luxation les plus fins dans les matériaux bidimensionnels, ce qui est un grand pas vers les appareils électroniques subnanométriques à partir de matériaux 2D. »
Propager des polygones
Dans un cristal 2D, MoS2 et WSe2 s'organisent naturellement en hexagones dans lesquels les éléments constitutifs - molybdène et soufre ou tungstène et sélénium - alternent. Ensemble, ces hexagones produisent un motif en nid d'abeille.
La technique de fabrication des chercheurs de Cornell préserve ce motif en nid d'abeille à travers la jonction entre les matériaux, un exploit rare et très utile pour les applications électroniques. Leur technique utilise le dépôt chimique en phase vapeur, dans lequel un substrat - dans ce cas, saphir - est exposé à des gaz transportant des produits chimiques qui réagissent pour produire les matériaux souhaités.
Les tailles naturelles des hexagones MoS2 et WSe2 sont légèrement différentes, cependant, donc leur intégration met une contrainte sur les deux cristaux, particulièrement près de leur jonction. Si une paire d'hexagones WSe2 juste à la jonction MoS2 se convertit en un hexagone associé à un heptagone (un polygone à sept côtés), il libère la tension.
Cette dislocation dite 5|7 crée un site sur lequel une particule de MoS2 peut se fixer. La réaction résultante insère un atome de molybdène dans le pentagone, produire un hexagone, et brise l'heptagone. Les atomes de soufre se fixent ensuite à l'heptagone pour former une autre dislocation 5|7. Comme ce processus se répète, la luxation 5|7 s'enfonce plus profondément dans le territoire WSe2, avec un nanofil s'étendant derrière lui. Le modèle dans lequel la contrainte sur les hexagones non appariés se détend et se reproduit garantit que la luxation progresse le long d'une ligne droite.
