Michel Pette, la gauche, professeur assistant en génie mécanique, et Ph.D. l'étudiant Wei Wu vérifie un dispositif spécialement conçu pour exercer une contrainte sur un matériau semi-conducteur de seulement six atomes d'épaisseur, le 18 avril, 2018. Crédit :Peter Morenus/UConn Photo
Des chercheurs de l'Institut des sciences des matériaux d'UConn ont considérablement amélioré les performances d'un matériau semi-conducteur atomiquement mince en l'étirant, une réalisation qui pourrait s'avérer bénéfique pour les ingénieurs concevant la prochaine génération d'électronique flexible, nano-appareils, et capteurs optiques.
Dans une étude publiée dans le journal de recherche Lettres nano , Michel Pette, professeur assistant en génie mécanique, rapporte qu'une bicouche épaisse de six atomes de diséléniure de tungstène présentait une augmentation de 100 fois de la photoluminescence lorsqu'elle était soumise à une contrainte. Le matériau n'avait jamais présenté une telle photoluminescence auparavant.
Les résultats marquent la première fois que les scientifiques ont pu montrer de manière concluante que les propriétés des matériaux atomiquement minces peuvent être manipulées mécaniquement pour améliorer leurs performances, dit Pette. De telles capacités pourraient conduire à des processeurs informatiques plus rapides et à des capteurs plus efficaces.
Le processus utilisé par les chercheurs pour atteindre le résultat est également important en ce qu'il offre une nouvelle méthodologie fiable pour mesurer l'impact de la contrainte sur les matériaux ultrafins, quelque chose qui a été difficile à faire et un obstacle à l'innovation.
"Les expériences impliquant une déformation sont souvent critiquées car la déformation subie par ces matériaux atomiquement minces est difficile à déterminer et souvent supposée incorrecte, " dit Pettes. "Notre étude fournit une nouvelle méthodologie pour effectuer des mesures dépendantes de la déformation des matériaux ultrafins, et c'est important parce que la contrainte devrait offrir des changements de plusieurs ordres de grandeur dans les propriétés de ces matériaux dans de nombreux domaines scientifiques différents. »
Les scientifiques sont intrigués par le potentiel des matériaux atomiquement minces depuis que les chercheurs Andre Geim et Konstantin Novoselov ont réussi à scinder avec succès une couche épaisse d'un atome de graphène à partir d'un morceau de graphite en 2004. Considéré comme un supermatériau pour sa résistance exceptionnelle, la flexibilité, et capacité à conduire l'électricité, le graphène bidimensionnel a transformé l'industrie électronique et a valu aux chercheurs un prix Nobel.
Mais pour tout ce qu'il offre, le graphène a ses limites. C'est un mauvais semi-conducteur car il manque une bande interdite aux électrons dans sa structure interne. Par conséquent, les électrons ne sont pas entravés et le traversent rapidement lorsque le matériau est sous tension. Les meilleurs matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, ont une bande interdite importante qui permet d'activer et de désactiver un flux d'électrons. Cette capacité est vitale pour créer les chaînes de zéros et de uns qui composent les codes informatiques binaires utilisés dans les transistors et les circuits intégrés.
Les scientifiques des matériaux explorent le potentiel d'autres matériaux bidimensionnels et atomiquement minces dans l'espoir de trouver des produits supérieurs au graphène et au silicium.
L'ingénierie des contraintes a été discutée comme un moyen possible d'améliorer les performances de ces matériaux, car leur structure ultrafine les rend particulièrement sensibles à la flexion et à l'étirement, contrairement à leurs plus grandes formes en vrac tridimensionnelles. Mais tester l'impact de la contrainte sur des matériaux de quelques atomes d'épaisseur seulement s'est avéré extrêmement difficile.
Dans la présente étude, Pettes et Wei Wu, un doctorat étudiant au laboratoire de Pettes et auteur principal de l'étude, ont pu mesurer avec succès l'influence de la déformation sur une bicouche monocristalline de diséléniure de tungstène en l'encapsulant d'abord dans une fine couche de verre acrylique, puis en la chauffant dans une chambre à gaz argon. (L'exposition à l'air détruirait l'échantillon). Ce traitement thermique a renforcé l'adhérence du matériau à un substrat polymère, permettant un transfert presque parfait de la contrainte appliquée, ce qui a été difficile à réaliser dans les expériences précédentes.
Le groupe a ensuite personnalisé un dispositif de pliage qui leur a permis d'augmenter soigneusement la contrainte sur le matériau tout en surveillant sa réponse à l'aide d'un spectromètre Raman multiligne Horiba au Harvard Center for Nanoscale Systems, une installation d'utilisateurs partagée financée par la National Science Foundation.
C'était un moment excitant.
"Notre nouvelle méthode nous a permis d'appliquer environ deux fois plus de contrainte au matériau 2D qu'aucune étude précédente n'en a rapporté, " dit Pettes. " Essentiellement, nous étions dans un nouveau territoire."
Finalement, les chercheurs ont découvert que l'application de niveaux de contrainte croissants au matériau modifiait son flux d'électrons, ce qui s'est traduit par l'augmentation de l'intensité de la photoluminescence.
En collaboration avec l'expert en modélisation informatique Avinash Dongare, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'UConn, et ancien Ph.D. étudiant Jin Wang, l'équipe a pu montrer que leur processus pouvait, théoriquement, manipuler la bande interdite du diséléniure de tungstène et d'autres matériaux atomiquement minces, ce qui est extrêmement important pour les ingénieurs de conception à la recherche de semi-conducteurs et de capteurs plus rapides et plus efficaces. La manipulation d'un semi-conducteur avec une bande interdite indirecte très proche du point de transition vers une bande interdite directe pourrait conduire à des capacités de traitement extrêmement rapides.
"C'est la première fois qu'un contrôle extrinsèque sur une transition de bande interdite d'électrons indirect à direct est rapporté de manière concluante, " dit Pettes. "Nos résultats devraient permettre aux informaticiens utilisant l'intelligence artificielle de concevoir de nouveaux matériaux avec des structures extrêmement résistantes ou sensibles aux contraintes. C'est extrêmement important pour la prochaine génération de dispositifs nanoélectroniques et optoélectroniques flexibles à hautes performances."