Depuis la découverte en 2003 du matériau carboné à un seul atome connu sous le nom de graphène, il y a eu un intérêt significatif pour d'autres types de matériaux 2D également.

Ces matériaux pourraient être empilés comme des briques Lego pour former une gamme d'appareils avec différentes fonctions, y compris le fonctionnement en tant que semi-conducteurs. De cette façon, ils pourraient être utilisés pour créer des ultra-minces, souple, appareils électroniques transparents et portables.

Cependant, la séparation d'un matériau cristallin en vrac en flocons 2D pour une utilisation en électronique s'est avérée difficile à réaliser à l'échelle commerciale.

Le processus existant, dans lequel des flocons individuels sont séparés des cristaux en vrac par estampage répété des cristaux sur un ruban adhésif, n'est pas fiable et prend du temps, nécessitant de nombreuses heures pour récolter suffisamment de matériel et former un appareil.

Aujourd'hui, des chercheurs du département de génie mécanique du MIT ont mis au point une technique permettant de récolter des plaquettes de 2 pouces de diamètre de matériau 2D en quelques minutes seulement. Ils peuvent ensuite être empilés pour former un appareil électronique en une heure.

La technique, qu'ils décrivent dans un article publié dans la revue Science , pourrait ouvrir la possibilité de commercialiser des appareils électroniques basés sur une variété de matériaux 2D, selon Jeehwan Kim, professeur agrégé au Département de génie mécanique, qui a dirigé la recherche.

Les co-premiers auteurs de l'article étaient Sanghoon Bae, qui a été impliqué dans la fabrication de dispositifs flexibles, et Jaewoo Shim, qui a travaillé sur l'empilement des monocouches de matériaux 2-D. Les deux sont post-doctorants dans le groupe de Kim.

Les co-auteurs de l'article comprenaient également des étudiants et des post-doctorants du groupe de Kim, ainsi que des collaborateurs de Georgia Tech, l'Université du Texas, Université Yonsei en Corée du Sud, et l'Université de Virginie. Sang Hoon Bae, Jaewoo Shim, Wei Kong, et Doyoon Lee du groupe de recherche de Kim ont également contribué à ce travail.

"Nous avons montré que nous pouvons isoler monocouche par monocouche des matériaux 2D à l'échelle de la plaquette, " dit Kim. " Deuxièmement, nous avons démontré un moyen d'empiler facilement ces monocouches à l'échelle d'une plaquette de matériau 2D."

Les chercheurs ont d'abord fait pousser un épais empilement de matériau 2D sur une plaquette de saphir. Ils ont ensuite appliqué un film de nickel de 600 nanomètres d'épaisseur au sommet de la pile.

Étant donné que les matériaux 2-D adhèrent beaucoup plus fortement au nickel qu'au saphir, décoller ce film a permis aux chercheurs de séparer l'ensemble de la pile de la plaquette.

Quoi de plus, l'adhérence entre le nickel et les couches individuelles de matériau 2-D est également supérieure à celle entre chacune des couches elles-mêmes.

Par conséquent, lorsqu'un deuxième film de nickel a ensuite été ajouté au bas de l'empilement, les chercheurs ont pu décoller individu, monocouches épaisses à un seul atome de matériau 2-D.

En effet, le décollement du premier film de nickel génère des fissures dans le matériau qui se propagent jusqu'au bas de l'empilement, dit Kim.

Une fois la première monocouche collectée par le film de nickel transférée sur un substrat, le processus peut être répété pour chaque couche.

"Nous utilisons une mécanique très simple, et en utilisant ce concept de propagation de fissure contrôlée, nous sommes en mesure d'isoler le matériau monocouche 2-D à l'échelle de la plaquette, " il dit.

La technique universelle peut être utilisée avec une gamme de différents matériaux 2D, y compris le nitrure de bore hexagonal, disulfure de tungstène, et le bisulfure de molybdène.

De cette façon, il peut être utilisé pour produire différents types de matériaux monocouches 2-D, comme les semi-conducteurs, métaux, et isolants, qui peuvent ensuite être empilés pour former les hétérostructures 2-D nécessaires à un dispositif électronique.

« Si vous fabriquez des appareils électroniques et photoniques à l'aide de matériaux 2D, les appareils n'auront que quelques monocouches d'épaisseur, " dit Kim. " Ils seront extrêmement flexibles, et peut être estampé sur n'importe quoi, " il dit.

Le processus est rapide et peu coûteux, le rendant adapté aux opérations commerciales, il ajoute.

Les chercheurs ont également démontré la technique en fabriquant avec succès des réseaux de transistors à effet de champ à l'échelle de la tranche, avec une épaisseur de quelques atomes seulement.

"Le travail a beaucoup de potentiel pour amener les matériaux 2D et leurs hétérostructures vers des applications du monde réel, " dit Philip Kim, professeur de physique à l'université Harvard, qui n'a pas participé à la recherche.

Les chercheurs envisagent maintenant d'appliquer la technique pour développer une gamme de dispositifs électroniques, comprenant une matrice de mémoire non volatile et des dispositifs flexibles pouvant être portés sur la peau.

Ils sont également intéressés par l'application de la technique pour développer des dispositifs à utiliser dans « l'internet des objets, " dit Kim.

« Tout ce que vous avez à faire est de faire pousser ces matériaux 2D épais, puis isolez-les en monocouches et empilez-les. Il est donc extrêmement bon marché, beaucoup moins cher que le processus de semi-conducteur existant. Cela signifie qu'il apportera des matériaux 2-D de niveau laboratoire à la fabrication pour la commercialisation, " dit Kim.

"Cela le rend parfait pour les réseaux IoT, car si vous deviez utiliser des semi-conducteurs conventionnels pour les systèmes de détection, cela coûterait cher. »