Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques et des ingénieurs de l'UCLA a mis au point une méthode pour fabriquer de nouveaux types de "super-réseaux" artificiels, des matériaux composés de couches alternées de feuilles ultrafines "bidimensionnelles", qui n'ont qu'un ou quelques atomes d'épaisseur. Contrairement aux super-réseaux de pointe actuels, dans laquelle les couches alternées ont des structures atomiques similaires, et donc des propriétés électroniques similaires, ces couches alternées peuvent avoir des structures radicalement différentes, propriétés et fonctions, quelque chose qui n'était pas disponible auparavant.

Par exemple, tandis qu'une couche de ce nouveau type de super-réseau peut permettre un flux rapide d'électrons à travers elle, l'autre type de couche peut jouer le rôle d'isolant. Cette conception confine les propriétés électroniques et optiques à des couches actives uniques, et les empêche d'interférer avec d'autres couches isolantes.

De tels super-réseaux peuvent constituer la base de classes améliorées et nouvelles de dispositifs électroniques et optoélectroniques. Les applications incluent les semi-conducteurs ultrarapides et ultra-efficaces pour les transistors dans les ordinateurs et les appareils intelligents, et des LED et lasers avancés.

Par rapport à l'approche conventionnelle d'assemblage ou de croissance couche par couche actuellement utilisée pour créer des super-réseaux 2D, le nouveau processus dirigé par l'UCLA pour fabriquer des super-réseaux à partir de matériaux 2D est beaucoup plus rapide et plus efficace. Plus important encore, la nouvelle méthode donne facilement des super-réseaux avec des dizaines, des centaines voire des milliers de couches alternées, ce qui n'est pas encore possible avec d'autres approches.

Cette nouvelle classe de super-réseaux alterne des feuilles de cristaux atomiques 2D qui sont espacées de molécules de formes et de tailles variables. En effet, cette couche moléculaire devient la deuxième "feuille" car elle est maintenue en place par les forces de "van der Waals", faibles forces électrostatiques pour maintenir les molécules autrement neutres « attachées » les unes aux autres. Ces nouveaux super-réseaux sont appelés "super-réseaux moléculaires à cristaux atomiques monocouches".

L'étude, Publié dans La nature , était dirigé par Xiangfeng Duan, professeur de chimie et biochimie à l'UCLA, et Yu Huang, Professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UCLA à la UCLA Samueli School of Engineering.

"Les super-réseaux semi-conducteurs traditionnels ne peuvent généralement être fabriqués qu'à partir de matériaux présentant une symétrie de réseau très similaire, normalement avec des structures électroniques assez similaires, " dit Huang. " Pour la première fois, nous avons créé des structures de super-réseaux stables avec des couches radicalement différentes, pourtant des arrangements atomiques moléculaires presque parfaits au sein de chaque couche. Cette nouvelle classe de structures de super-réseaux a des propriétés électroniques personnalisables pour des applications technologiques potentielles et d'autres études scientifiques. »

Une méthode actuelle pour construire un super-réseau consiste à empiler manuellement les couches ultrafines les unes sur les autres. Mais cela demande beaucoup de travail. En outre, puisque les feuilles semblables à des flocons sont fragiles, cela prend beaucoup de temps à construire car de nombreuses feuilles se cassent pendant le processus de placement. L'autre méthode consiste à faire croître une nouvelle couche au-dessus de l'autre, en utilisant un processus appelé "dépôt chimique en phase vapeur". Mais comme cela signifie des conditions différentes, comme la chaleur, environnements de pression ou chimiques, sont nécessaires pour faire croître chaque couche, le processus pourrait altérer ou casser la couche en dessous. Cette méthode est également à forte intensité de main-d'œuvre avec de faibles taux de rendement.

La nouvelle méthode pour créer des super-réseaux moléculaires à cristaux atomiques monocouches utilise un processus appelé « intercalation électrochimique, " dans laquelle une tension négative est appliquée. Cela injecte des électrons chargés négativement dans le matériau 2D. Ensuite, cela attire les molécules d'ammonium chargées positivement dans les espaces entre les couches atomiques. Ces molécules d'ammonium s'assemblent automatiquement en de nouvelles couches dans la structure cristalline ordonnée, créer un super-réseau.

"Pensez à un matériau bidimensionnel comme une pile de cartes à jouer, " dit Duan. " Alors imaginez que nous puissions faire s'insérer un gros tas de perles en plastique à proximité, en parfait état, en sandwich entre chaque carte. C'est l'idée analogue, mais avec un cristal de matériau 2D et de molécules d'ammonium."

Les chercheurs ont d'abord démontré la nouvelle technique utilisant du phosphore noir comme matériau de base de cristal atomique 2D. En utilisant la tension négative, des ions d'ammonium chargés positivement ont été attirés dans le matériau de base, et se sont insérés entre les feuilles de phosphore atomique en couches."

Suite à ce succès, l'équipe a inséré différents types de molécules d'ammonium avec différentes tailles et symétries dans une série de matériaux 2D pour créer une large classe de super-réseaux. Ils ont découvert qu'ils pouvaient adapter les structures des super-réseaux moléculaires cristallins atomiques monocouches résultants, qui avait une gamme variée de propriétés électroniques et optiques souhaitables. "Les matériaux résultants pourraient être utiles pour fabriquer des transistors plus rapides qui consomment moins d'énergie, ou pour créer des dispositifs électroluminescents efficaces, " a déclaré Duan.