Une nouvelle compréhension des raisons pour lesquelles les matériaux synthétiques 2D ont souvent des performances pires que prévu a été obtenue par des équipes de chercheurs dirigées par Penn State. Ils ont cherché des moyens d'améliorer les performances de ces matériaux dans l'électronique du futur, photonique, et les applications de stockage en mémoire.

Les matériaux bidimensionnels sont des films d'un ou deux atomes d'épaisseur seulement. Les chercheurs fabriquent des matériaux 2D par la méthode d'exfoliation - en décollant une tranche de matériau d'un matériau en vrac plus gros - ou en condensant un précurseur de gaz sur un substrat. La première méthode fournit des matériaux de meilleure qualité, mais n'est pas utile pour fabriquer des appareils. La deuxième méthode est bien établie dans les applications industrielles, mais donne des films 2D à faible performance.

Les chercheurs ont démontré, pour la première fois, pourquoi la qualité des matériaux 2D cultivés par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur a des performances médiocres par rapport à leurs prédictions théoriques. Ils rapportent leurs résultats dans un récent numéro de Rapports scientifiques .

"Nous avons cultivé du bisulfure de molybdène, un matériau 2D très prometteur, sur un substrat de saphir, " dit Kehao Zhang, un doctorant de Joshua Robinson, professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux, État de Penn. "Le saphir lui-même est de l'oxyde d'aluminium. Lorsque l'aluminium est la couche supérieure du substrat, il aime céder ses électrons au film. Ce dopage négatif important - les électrons ont une charge négative - limite à la fois l'intensité et la durée de vie du porteur pour la photoluminescence, deux propriétés importantes pour toutes les applications optoélectroniques, comme le photovoltaïque et les photocapteurs."

Une fois qu'ils ont déterminé que l'aluminium cède des électrons au film, ils ont utilisé un substrat de saphir qui a été coupé de manière à exposer l'oxygène plutôt que l'aluminium à la surface. Cela a multiplié par 100 l'intensité de la photoluminescence et la durée de vie du porteur.

Dans les travaux connexes, une deuxième équipe de chercheurs dirigée par le même groupe de Penn State a utilisé l'ingénierie du dopage qui substitue des atomes étrangers dans le réseau cristallin du film afin de modifier ou d'améliorer les propriétés du matériau. Ils ont rendu compte de leur travail cette semaine dans Matériaux fonctionnels avancés .

"Les gens ont déjà essayé le dopage de substitution, mais parce que l'interaction du substrat de saphir a masqué les effets du dopage, ils n'ont pas pu déconvoluer l'impact du dopage, " dit Zhang, qui était également l'auteur principal du deuxième article.

En utilisant la surface de substrat à terminaison oxygène du premier papier, l'équipe a supprimé l'effet d'écran du substrat et a dopé le film 2-D de bisulfure de molybdène avec des atomes de rhénium.

"Nous avons déconvolué les effets de dopage au rhénium sur le matériau, " a déclaré Zhang. "Avec ce substrat, nous pouvons aller jusqu'à 1 pour cent atomique, la plus forte concentration de dopage jamais signalée. Un avantage inattendu est que le dopage du rhénium dans le réseau passive 25 pour cent des lacunes de soufre, et les lacunes de soufre sont un problème de longue date avec les matériaux 2-D. »

Le dopage résout deux problèmes :Il rend le matériau plus conducteur pour des applications comme les transistors et les capteurs, et en même temps améliore la qualité des matériaux en passive les défauts appelés lacunes de soufre. L'équipe prédit qu'un dopage plus élevé au rhénium pourrait éliminer complètement les effets des lacunes en soufre.

"Le but de tout mon travail est de pousser ce matériau à des niveaux technologiquement pertinents, c'est-à-dire la rendre industriellement applicable, " dit Zhang.