Ils sont parmi les structures les plus minces de la planète :les "matériaux bidimensionnels" sont des cristaux qui ne sont constitués que d'une ou de quelques couches d'atomes. Ils présentent souvent des propriétés inhabituelles, promettant de nombreuses nouvelles applications dans les domaines de l'optoélectronique et de la technologie énergétique. L'un de ces matériaux est le sulfure de molybdène 2-D, une couche atomiquement mince d'atomes de molybdène et de soufre.

La production de tels cristaux ultra-minces est difficile. Le processus de cristallisation dépend de nombreux facteurs différents. Autrefois, différentes techniques ont donné des résultats assez divers, mais les raisons de cela ne pouvaient pas être expliquées avec précision. Grâce à une nouvelle méthode développée par les équipes de recherche de la TU Wien, l'Université de Vienne et Joanneum Research en Styrie, pour la première fois, il est désormais possible d'observer le processus de cristallisation directement au microscope électronique. La méthode vient d'être présentée dans la revue scientifique ACS Nano .

Du gaz au cristal

"Le sulfure de molybdène peut être utilisé dans des cellules solaires transparentes et flexibles ou pour générer de manière durable de l'hydrogène pour le stockage d'énergie, " dit l'auteur principal de l'étude, Bernhard C. Bayer de l'Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. « Pour ce faire, cependant, des cristaux de haute qualité doivent être cultivés dans des conditions contrôlées."

Habituellement, cela se fait en partant d'atomes sous forme gazeuse, puis en les condensant sur une surface de manière aléatoire et non structurée. Dans un deuxième temps, les atomes sont disposés sous une forme cristalline régulière - par chauffage, par exemple. "Les diverses réactions chimiques au cours du processus de cristallisation sont, cependant, toujours pas clair, ce qui rend très difficile le développement de meilleures méthodes de production pour ce type de matériaux 2D, ", déclare Bayer.

Grâce à une nouvelle méthode, cependant, il devrait maintenant être possible d'étudier avec précision les détails du processus de cristallisation. "Cela signifie qu'il n'est plus nécessaire d'expérimenter par essais et erreurs, mais grâce à une meilleure compréhension des processus, on peut dire avec certitude comment obtenir le produit désiré, ", ajoute Bayer.

Le graphène comme substrat

D'abord, le molybdène et le soufre sont placés au hasard sur une membrane en graphène. Le graphène est probablement le plus connu des matériaux 2-D - un cristal d'une épaisseur d'une seule couche d'atomes constitué d'atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d'abeille. Les atomes de molybdène et de soufre disposés au hasard sont ensuite manipulés au microscope électronique avec un faisceau d'électrons fin. Le même faisceau d'électrons peut être utilisé simultanément pour imager le processus et pour initier le processus de cristallisation.

De cette façon, il est maintenant devenu possible pour la première fois d'observer directement comment les atomes se déplacent et se réorganisent pendant la croissance du matériau avec une épaisseur de seulement deux couches atomiques. « Ce faisant, nous pouvons voir que la configuration la plus thermodynamiquement stable ne doit pas nécessairement toujours être l'état final, " dit Bayer. Différents arrangements de cristaux se font concurrence, se transformer l'un en l'autre et se remplacer. "Par conséquent, il est maintenant clair pourquoi les enquêtes antérieures ont eu des résultats si variables. Nous avons affaire à un complexe, processus dynamique." Les nouvelles découvertes aideront à adapter la structure des matériaux 2D plus précisément aux exigences des applications à l'avenir en interférant avec les processus de réarrangement de manière ciblée.