Les matériaux bidimensionnels (2D) tels que le graphène ont une électronique unique, magnétique, optique, et des propriétés mécaniques qui promettent de stimuler l'innovation dans des domaines allant de l'électronique à l'énergie en passant par les matériaux et la médecine. Des chercheurs de l'Université de Columbia signalent une avancée majeure qui pourrait révolutionner le domaine, un dispositif "twistronic" dont les caractéristiques peuvent être modifiées en faisant simplement varier l'angle entre deux couches 2D différentes placées l'une sur l'autre.

Dans un article publié en ligne aujourd'hui dans Science , l'équipe démontre une nouvelle structure de dispositif qui leur donne non seulement un contrôle sans précédent sur l'orientation angulaire dans les dispositifs à couche torsadée, mais leur permet aussi de faire varier cet angle in situ, de sorte que les effets de l'angle de torsion sur l'électronique, optique, et les propriétés mécaniques peuvent être étudiées dans un seul appareil.

Dirigé par Cory Dean (physique, Columbia University) et James Hone (génie mécanique, Columbia Ingénierie), l'équipe s'est appuyée sur des techniques qu'elle avait précédemment mises au point pour superposer mécaniquement du graphène et d'autres matériaux 2D, l'un sur l'autre, former de nouvelles structures. "Ce processus d'assemblage mécanique nous permet de mélanger et assortir différents cristaux pour construire des matériaux entièrement nouveaux, souvent avec des propriétés fondamentalement différentes des couches constitutives, " dit Hone, chef du Columbia Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), qui étudie les propriétés de ces hétérostructures. "Avec des centaines de matériaux 2D disponibles, les possibilités de conception sont énormes."

Des études récentes ont montré que l'alignement rotationnel entre les couches joue un rôle crucial dans la détermination des nouvelles propriétés qui apparaissent lorsque les matériaux sont combinés. Par exemple, lorsque le graphène conducteur est placé sur du nitrure de bore isolant avec les réseaux cristallins parfaitement alignés, le graphène développe une bande interdite. Aux angles non nuls, la bande interdite disparaît et les propriétés intrinsèques du graphène sont récupérées. Rien qu'en mars dernier, des chercheurs du MIT ont rapporté la découverte révolutionnaire selon laquelle deux couches empilées de graphène peuvent présenter des propriétés exotiques, notamment la supraconductivité, lorsque l'angle de torsion entre elles est fixé à 1,1 degré, appelé "l'angle magique".

Dans les approches précédentes de fabrication de structures avec des couches mal alignées en rotation, l'angle a été défini pendant le processus d'assemblage. Cela signifiait qu'une fois l'appareil fabriqué, ses propriétés ont été fixées. « Nous trouvions cette approche frustrante, étant donné que de très petites erreurs d'alignement pourraient donner des résultats totalement différents, " dit Dean. " Ce serait formidable de faire un appareil dans lequel nous pourrions étudier ses propriétés tout en faisant continuellement tourner ses couches et la question était donc, comment faire ?"

La réponse, les chercheurs de Columbia ont réalisé, était de profiter du faible frottement qui existe à l'interface entre les couches, qui sont maintenus ensemble par des forces de van der Waals qui sont beaucoup plus faibles que les liaisons atomiques au sein de chaque couche. Cette faible friction, qui rend les matériaux 2D très bons en tant que lubrifiants solides, rend très difficile l'assemblage contrôlé à un angle souhaité. Le groupe Columbia a utilisé la caractéristique de faible friction à son avantage en concevant une structure de dispositif dans laquelle, au lieu d'empêcher la rotation, ils pourraient faire varier intentionnellement et de manière contrôlable l'angle de rotation.

L'équipe a utilisé des hétérostructures graphène/nitrure de bore pour démontrer la portée de leur technique. Dans ces structures, lorsque les couches ne sont pas cristallographiquement alignées, les matériaux conservent leurs propriétés d'origine (par exemple, le graphène aura un caractère semi-métallique) mais lorsque les couches sont alignées, les propriétés du graphène changent, ouvrant une lacune énergétique et se comportant comme un semi-conducteur. Les chercheurs ont montré que ce réglage fin des propriétés de l'hétérostructure affecte son optique, mécanique, et les réponses électroniques.

« Notamment, nous avons démontré que l'écart énergétique observé dans le graphène est réglable et peut être activé ou désactivé à la demande simplement en changeant l'orientation entre les couches, " dit Rebeca Ribeiro, qui a dirigé ces travaux en tant que chercheur post-doctoral à Columbia et est aujourd'hui chercheur CNRS au Centre français des nanosciences et nanotechnologies (C2N-CNRS). "Le réglage de cet écart énergétique représente non seulement une étape majeure vers l'utilisation future du graphène dans des applications variées, mais fournit également une démonstration générale dans laquelle les propriétés de l'appareil des matériaux 2D varient considérablement avec la rotation "

D'un point de vue technologique, la possibilité d'ajuster les propriétés d'un matériau en couches en faisant varier l'angle de torsion offre la possibilité à une seule plate-forme de matériau d'effectuer une variété de fonctions. Par exemple, les circuits électroniques sont construits à partir d'un nombre fini de composants dont des conducteurs métalliques, isolants, semi-conducteurs, et des matériaux magnétiques. Ce processus nécessite l'intégration d'une variété de matériaux différents et peut poser un défi d'ingénierie important. En revanche, un seul matériau qui peut être localement « tordu » pour réaliser chacun de ces composants pourrait permettre de nouvelles opportunités d'ingénierie significatives.

En outre, la possibilité de régler dynamiquement un système avec une torsion mécanique offre une nouvelle capacité de commutation qui pourrait permettre des applications de dispositifs entièrement nouvelles. Par exemple, les commutateurs traditionnels varient généralement entre deux états bien définis (marche ou arrêt, magnétique ou non, etc.). La plate-forme Columbia pourrait permettre la possibilité de basculer entre un nombre arbitraire d'états complémentaires.

Dean et Hone utilisent maintenant leur nouvelle technique pour étudier d'autres combinaisons de matériaux 2D dont les propriétés peuvent être ajustées par alignement angulaire. Ils examinent en particulier la récente découverte de la supraconductivité dans le graphène bicouche torsadé et explorent si cela peut être une caractéristique générale des bicouches torsadées fabriquées à partir de matériaux 2D arbitraires.

Dean ajoute, « Notre étude démontre un nouveau degré de liberté, à savoir l'orientation rotationnelle entre les couches, cela n'existe tout simplement pas dans les hétérostructures semi-conductrices conventionnelles. C'est une occasion rare dans le domaine des semi-conducteurs où nous ouvrons vraiment une nouvelle voie, et ouvre la porte à un tout nouveau domaine de recherche où les propriétés des matériaux peuvent être modifiées simplement en tordant la structure."

L'étude s'intitule « Electronique torsadée avec des hétérostructures à rotation dynamique ».