Un rendu qui illustre l'émergence parallèle d'un gaz d'électrons et d'un gaz de "trous" chargés positivement que les électrons laissent derrière eux lors du départ des atomes. Des chercheurs du Nebraska ont effectué des calculs et une modélisation qui ont aidé leurs collègues à observer le gaz du trou, ce qui pourrait éventuellement miniaturiser et étendre davantage les fonctionnalités de l'électronique. Crédit :Evgeny Tsymbal et Tula Paudel
Préparer le sandwich parfait à l'échelle nanométrique à partir d'ingrédients à base d'oxygène n'était pas un pique-nique.
Mais avec l'aide de deux physiciens du Nebraska, une équipe internationale de chercheurs l'a finalement réussi, mettant ainsi fin à une quête de près de 15 ans pour observer un phénomène qui pourrait aider à alimenter et à miniaturiser une future génération d'électronique.
En 2004, les chercheurs ont observé un gaz d'électrons se déplaçant en deux dimensions à travers un nano-sandwich fait d'oxydes :des composés chimiques contenant des atomes d'oxygène. Cette démonstration d'un gaz d'électrons 2-D a signalé la promesse de confiner le courant électrique dans des espaces plus petits et, à son tour, réduire les composants électroniques à plus petite échelle.
Pourtant, l'électron chargé négativement a une contrepartie - un "trou" chargé positivement qu'il laisse derrière lui lorsqu'il s'éjecte de son orbite autour d'un atome. Les physiciens ont donc entrepris de créer et d'observer un gaz de trou 2D qui agit également comme une source de courant électrique.
Comme détaillé dans le journal Matériaux naturels , des chercheurs de l'Université du Wisconsin-Madison et de l'Université du Nebraska-Lincoln ont ouvert la voie en réalisant l'exploit tant recherché. Cela a nécessité plusieurs années de perfectionnement des ingrédients et de la préparation. Evgeny Tsymbal et Tula Paudel du Nebraska ont informé ce dernier en exécutant des calculs et une modélisation théoriques via le Holland Computing Center de l'université.
La recette en elle-même semblait assez simple. Pour produire un gaz d'électrons 2-D, les chercheurs avaient auparavant empilé une couche d'oxyde chargée positivement sur une base neutre, constatant que les électrons chargés négativement affluaient vers le bas dans l'espace nanoscopique entre les deux. En ajoutant une couche chargée négativement au-dessus de la tranche positive, puis coiffage du nano-sandwich avec une autre couche neutre, les chercheurs espéraient voir des trous chargés positivement imiter ce comportement en migrant vers le haut pour former leur propre gaz 2-D.
Ils ont résisté. Pourquoi? Les atomes d'oxygène abandonnaient leurs postes, et leurs lacunes chargées positivement, inutiles pour produire un courant électrique, empêchaient les trous de remonter.
"Nous avons regardé les différentes concentrations des lacunes en oxygène, les différentes positions de ces défauts, et comment le comportement change (en conséquence), " dit Tsymbal, Professeur de physique et d'astronomie à l'université George Holmes.
L'équipe a découvert qu'elle pouvait s'en tirer avec quelques atomes d'oxygène absents tant que ceux au cœur de l'action parvenaient à se maintenir.
« Le positionnement est important, " dit Paudel, un professeur assistant de recherche qui a effectué la plupart des calculs. "Vous ne voulez pas que les lacunes d'oxygène soient proches de la région où vous êtes censé avoir un gaz de trou bidimensionnel."
Ces idées, combiné à des spécifications précises pour l'épaisseur de chaque tranche dans le nano-sandwich, expériences guidées qui se déroulent au Wisconsin. En construisant ces tranches atome par atome - plus facile à faire avec des oxydes que de nombreuses autres classes de matériaux - et en fabriquant le matériau sous pression, environnement riche en oxygène qui minimise les lacunes, les chercheurs du Wisconsin ont réussi à produire et à caractériser le gaz de trou 2-D.
Depuis des décennies, les ingénieurs ont fabriqué la majorité des composants électroniques à partir de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, le cheval de bataille de l'industrie.
"Le problème est que nous approchons des limites fondamentales, " dit Tsymbal, directeur du Materials Research Science and Engineering Center du Nebraska. "À un moment donné (bientôt), nous approcherons de certaines limites au-delà desquelles nous ne pouvons pas continuer (suivre) la feuille de route des semi-conducteurs comme nous le faisions auparavant. Nous devons donc changer conceptuellement la façon dont nos appareils fonctionnent. »
L'une de ces limites est l'espace. La course à la création de plus de fonctionnalités :mémoire, par exemple, dans des appareils de plus en plus petits, les ingénieurs se tournent vers les oxydes et autres matériaux qui, lorsqu'ils sont combinés, peut comprimer la conductivité dans les limites les plus étroites. La nouvelle étude a tiré parti d'un oxyde appelé titanate de strontium – ce que Tsymbal a décrit comme le « silicium de l'électronique d'oxyde » – pour y parvenir.
"L'avantage ici est que le confinement - l'épaisseur de cet électron ou gaz de trou bidimensionnel - est beaucoup plus petit par rapport à ce que vous avez dans les semi-conducteurs, " dit Tsymbal. " Au lieu de, par exemple, dizaines de nanomètres, on peut le confiner à un nanomètre. Donc, en principe, nous pouvons rendre les appareils beaucoup plus petits par rapport à ceux de l'électronique à semi-conducteurs."
Bien que le titanate de strontium et ses frères oxydes ne présentent généralement pas de magnétisme par eux-mêmes, ils le font parfois lorsqu'ils sont combinés. Ils montrent même le potentiel de la supraconductivité - un courant électrique qui circule sans aucune résistance - et d'autres propriétés attrayantes pour les ingénieurs électriciens et informaticiens.
En tant que théoriciens, Tsymbal et Paudel s'intéressent aux phénomènes qui pourraient émerger des gaz d'électrons et de trous 2D circulant en parallèle à travers le même matériau. Parmi eux :l'appariement d'électrons et de trous dans des excitons semblables à des particules qui se comportent différemment en tant que grand collectif qu'ils ne le font seuls.
« Les oxydes dotés de ces gaz 2D complémentaires pourraient maintenant commencer à servir de laboratoires nanoscopiques dans lesquels créer et étudier une nouvelle physique, ", a déclaré Paudel.
Comment ces phénomènes pourraient éventuellement être appliqués reste une question ouverte, Tsymbal a dit, mais un qui vaut la peine d'être exploré.
« Quand les chercheurs ont commencé à travailler sur les semi-conducteurs il y a plus de 60 ans, personne ne savait qu'ils deviendraient au cœur de la technologie moderne, " dit Tsymbal. " A ce stade, l'électronique des oxydes est au niveau de la recherche fondamentale, il est donc difficile de prédire où ils iront.
"Mais vous pouvez contrôler les interfaces d'oxyde avec une précision extrême. Une fois que vous avez cela, vous pouvez faire quelque chose de similaire à ce que réalisent les semi-conducteurs, mais peut-être aussi autre chose."
