Les ondulations dans un réseau d'atomes de tellure formés en tellurène à trois couches à l'Université Rice montrent plusieurs polytypes - différents arrangements atomiques basés sur la façon dont les couches sont empilées - avec des propriétés électroniques et optiques distinctes. Crédit :Ajayan Research Group/Rice University
Comme les choses se passent souvent en science, Amey Apte ne recherchait pas de tellure bidimensionnel lorsqu'il expérimentait des matériaux à l'Université Rice. Mais c'était là.
"C'est comme si j'essayais de trouver un centime et à la place j'ai trouvé un dollar, " il a dit.
Apte et ses collègues ont fait du tellure, un métal rare, en un film de moins d'un nanomètre (un milliardième de mètre) d'épaisseur en faisant fondre une poudre de l'élément à haute température et en soufflant les atomes sur une surface. Il a dit que le matériel résultant, tellurène, est prometteur pour la prochaine génération, cellules solaires dans le proche infrarouge et autres applications optoélectroniques qui reposent sur la manipulation de la lumière.
Le jackpot slim est décrit dans 2D Materials.
"J'essayais de faire pousser un dichalcogénure de métal de transition, ditellurure de tungstène, mais parce que le tungstène a un point de fusion élevé, c'était difficile, " dit Apte, un étudiant diplômé du laboratoire Rice du scientifique des matériaux Pulickel Ajayan et co-auteur principal de l'article. "Mais j'ai observé d'autres films qui ont attiré mon intérêt."
Les autres films se sont avérés être des cristaux ultrafins de tellure pur. D'autres expériences ont conduit les chercheurs à créer le nouveau matériau sous deux formes :un grand, film homogène d'environ 6 nanomètres d'épaisseur qui couvrait une surface d'un centimètre carré, et un film à trois couches atomiques mesurant moins d'un nanomètre d'épaisseur.
Des simulations de tellurène à trois couches posées sur une image microscopique du matériau créée à l'Université Rice montrent la précision avec laquelle les ondulations dans une feuille du matériau forceraient les atomes dans trois configurations distinctes. Bien que connecté, ces polytypes ont des propriétés électroniques et optiques différentes. Crédit :Ajayan Research Group/Rice University
"Les dichalcogénures de métaux de transition sont à la mode ces jours-ci, mais ce sont tous des matériaux 2D composés, " a déclaré Ajayan. " Ce matériau est un élément unique et montre autant de richesse structurelle et de variété qu'un composé, le tellure 2D est donc intéressant tant d'un point de vue théorique qu'expérimental. Des couches de chalcogène à élément unique de finesse atomique seraient intéressantes mais n'ont pas été beaucoup étudiées."
Les images prises avec le puissant microscope électronique de Rice ont montré que les couches atomiques s'étaient disposées exactement comme la théorie l'avait prédit, sous forme de feuilles hexagonales de type graphène légèrement décalées les unes par rapport aux autres. Le tellurène, fait à 650 degrés Celsius (1, four à 202 degrés Fahrenheit) en faisant fondre de la poudre de tellure en vrac, semblaient également être doucement bouclés d'une manière qui modifie subtilement les relations entre les atomes sur chaque couche.
"À cause de ça, nous voyons différents polytypes, ce qui signifie que la structure cristalline du matériau reste la même mais que l'arrangement atomique peut différer en fonction de la façon dont les couches sont empilées, " dit Apte. " Dans ce cas, les trois polytypes que nous voyons au microscope correspondent à des structures théoriquement prédites et ont des dispositions de réseau complètement différentes qui donnent à chaque phase des propriétés différentes.
"L'anisotropie dans le plan signifie également que les propriétés d'absorption optique, la transmission ou la conductivité électrique vont être différentes dans les deux directions principales, ", a déclaré l'étudiante diplômée et co-auteur principale Elizabeth Bianco. "Par exemple, le tellurène peut montrer une conduction électrique jusqu'à trois ordres de grandeur supérieure à celle du bisulfure de molybdène, et ce serait utile en optoélectronique."
Des modèles informatiques créés par des scientifiques de l'Université de Californie du Sud montrent les énergies de liaison entre les atomes du tellurène synthétisé à l'Université Rice. Les trois couches en tellurène ultrafin ne sont pas parfaitement alignées, conférant au matériau des propriétés métalliques et semi-conductrices. Crédit :Ajayan Research Group/Rice University
Des films de tellure plus épais ont également été fabriqués sous vide à température ambiante par dépôt laser pulsé, qui a soufflé des atomes de la masse et leur a permis de former un film stable sur une surface d'oxyde de magnésium.
Le tellurène pourrait avoir des propriétés topologiques avec des avantages potentiels pour la spintronique et la magnéto-électronique. "Les atomes de tellure sont beaucoup plus lourds que le carbone, " A déclaré Apte. "Ils montrent un phénomène appelé couplage spin-orbite, qui est très faible en éléments plus légers, et permet une physique beaucoup plus exotique comme les phases topologiques et les effets quantiques. »
"La chose fascinante du tellurène qui le différencie des autres matériaux 2D est sa structure cristalline unique et sa température de fusion élevée, " a déclaré le co-auteur Ajit Roy, scientifique des matériaux à l'Air Force Research Laboratory à Wright-Patterson Air Force Base à Dayton, Ohio. "Cela nous permet d'élargir l'enveloppe de performances de l'optoélectronique, thermoélectriques et autres dispositifs à couche mince."
