Des scientifiques de l'Université nationale de Singapour ont découvert un mécanisme de croissance unique pour produire des rubans semi-conducteurs atomiquement minces qui peuvent servir de bloc de construction pour des dispositifs nanoélectroniques hautes performances.

Synthèse de semi-conducteurs ultrafins, tels que le bisulfure de molybdène monocouche et les composés apparentés, a suscité un vif intérêt au cours des dernières années pour leur utilisation potentielle dans l'amélioration des performances des dispositifs nanoélectroniques. La capacité de synthétiser cette classe émergente de matériaux avec une géométrie souhaitée jouerait un rôle important pour faciliter leur processus de fabrication et leur mise en œuvre dans des circuits intégrés haute densité.

Une équipe dirigée par le professeur Goki EDA des départements de physique et de chimie et du Center for Advanced 2-D Materials (CA2DM) du NUS a découvert un moyen de développer des structures nano- et micro-ruban de bisulfure de molybdène qui ne font que trois atomes d'épaisseur. et en moyenne des centaines de nanomètres de large. La méthode implique la réaction de vapeur de soufre avec un mélange de trioxyde de molybdène et de sel de chlorure de sodium à ~700oC sur une surface cristalline propre. Les chercheurs ont découvert que le sel réagit avec le trioxyde de molybdène pour donner un composé tertiaire contenant du sodium, molybdène et oxygène dans divers rapports atomiques. Ce composé fond ensuite et forme de petites gouttelettes à la température de croissance (~700 degrés C). Les gouttelettes microscopiques de ce composé réagissent ensuite avec le soufre pour former du bisulfure de molybdène ultrafin en forme de ruban. Cette structure est remarquablement différente du produit typique d'une croissance sans sel, qui est de forme triangulaire et hexagonale.

"La croissance des rubans commandés a été une grande surprise car le modèle de croissance standard ne prédit pas de telles structures, mais nous avons réalisé que c'était le résultat d'un mécanisme de croissance distinct, " a déclaré le Dr LI, qui était chercheur dans le groupe du professeur Eda, mais qui travaille maintenant à l'Institut national des sciences des matériaux au Japon. Le mécanisme de croissance communément accepté repose sur la dynamique inhérente des précurseurs pour se diffuser et s'auto-organiser à la surface du substrat. Le Dr Li a ajouté :"Ce mécanisme n'a pas pu expliquer nos observations."

Les chercheurs expliquent que le phénomène observé est une forme bien connue de la croissance vapeur-liquide-solide (VLS) dans laquelle les précurseurs en phase vapeur se condensent en un intermédiaire liquide avant de former le produit solide. La morphologie des rubans étroits obtenus dans cette étude était, cependant, contrairement à ce qui est normalement attendu d'une croissance VLS, ce qui donne généralement des structures cylindriques ou tubulaires. Leur observation indique que la gouttelette liquide se déplace sur la surface du substrat de manière ordonnée, laissant derrière lui une trace de cristaux ultrafins. Le processus est similaire à "la peinture avec une goutte d'encre".

Les rubans semi-conducteurs synthétisés par cette méthode présentaient une qualité cristalline élevée. Les chercheurs ont démontré que des transistors microscopiques hautes performances (avec une mobilité à effet de champ d'environ 30 cm ² /Vs et un rapport marche-arrêt de ~ 106) peuvent être fabriqués à partir des rubans individuels. Étant donné que le matériau tel que synthétisé est déjà sous la forme adaptée à l'appareil, cette nouvelle méthode de croissance permet une fabrication simple du dispositif sans avoir besoin d'une étape de structuration supplémentaire, ce qui est normalement requis lorsque d'autres méthodes de synthèse sont utilisées.

Le professeur Eda a dit, « Notre travail ouvre de nombreuses questions intéressantes sur la croissance de surface et d'interface des nanomatériaux. Nous pensons que de nombreux autres matériaux peuvent être cultivés en utilisant une approche similaire. L'objectif à court terme est de mieux comprendre le mécanisme de croissance et de contrôler la morphologie des rubans. "

Le professeur Eda envisage que la capacité de développer directement des structures semi-conductrices complexes facilitera grandement la réalisation de dispositifs nanoélectroniques haute performance.