Borophène—feuilles atomiques minces bidimensionnelles (2-D) de bore, un élément chimique que l'on trouve traditionnellement dans l'isolation en fibre de verre est tout sauf ennuyeux. Bien que le bore soit un semi-conducteur non métallique sous sa forme massive (3-D), il devient un conducteur métallique en 2-D. Le borophène est extrêmement flexible, fort, et léger, encore plus que son analogue à base de carbone, graphène. Ces propriétés électroniques et mécaniques uniques font du borophène une plate-forme matérielle prometteuse pour les appareils électroniques de nouvelle génération tels que les wearables, capteurs de biomolécules, détecteurs de lumière, et les ordinateurs quantiques.

Maintenant, des physiciens du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et de l'Université de Yale ont synthétisé du borophène sur des substrats de cuivre avec des domaines monocristallins de grande surface (allant de 10 à 100 micromètres) (pour référence, une mèche de cheveux humains mesure environ 100 micromètres de large). Précédemment, seuls des flocons de monocristaux nanométriques de borophène avaient été produits. L'avance, rapporté le 3 décembre dans Nature Nanotechnologie , représente une étape importante dans la réalisation de dispositifs pratiques à base de borophène.

Pour les applications électroniques, des monocristaux de haute qualité - des arrangements périodiques d'atomes qui se prolongent dans tout le réseau cristallin sans limites ni défauts - doivent être répartis sur de grandes zones du matériau de surface (substrat) sur lequel ils sont développés. Par exemple, les puces d'aujourd'hui utilisent des monocristaux de silicium et d'autres semi-conducteurs. La fabrication de dispositifs nécessite également une compréhension de l'impact des différents substrats et conditions de croissance sur la structure cristalline d'un matériau, qui détermine ses propriétés.

"Nous avons multiplié par un million la taille des domaines monocristallins, " a déclaré le co-auteur et chef de projet Ivan Bozovic, scientifique principal et chef du groupe d'épitaxie par faisceau moléculaire au département de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux (CMPMS) du Brookhaven Lab et professeur adjoint de physique appliquée à l'Université de Yale. « De grands domaines sont nécessaires pour fabriquer des appareils électroniques de nouvelle génération à haute mobilité électronique. Les électrons qui peuvent se déplacer facilement et rapidement à travers une structure cristalline sont essentiels pour améliorer les performances des appareils.

Un nouveau matériau 2D

Depuis la découverte du graphène en 2004, une feuille unique d'atomes de carbone, qui peut être décollé du graphite, le composant de base des crayons, avec du scotch :les scientifiques sont à la recherche d'autres matériaux 2D aux propriétés remarquables. Les liaisons chimiques entre les atomes de carbone qui confèrent au graphène sa force rendent difficile la manipulation de sa structure.

Les théoriciens ont prédit que le bore (à côté du carbone sur le tableau périodique, avec un électron de moins) déposé sur un substrat choisi de manière appropriée pourrait former un matériau 2-D similaire au graphène. Mais cette prédiction n'a été confirmée expérimentalement qu'il y a trois ans, lorsque les scientifiques ont synthétisé le borophène pour la toute première fois. Ils ont déposé du bore sur des substrats d'argent dans des conditions d'ultravide par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), une technique de croissance cristalline atomique couche par couche contrôlée avec précision. Peu de temps après, un autre groupe de scientifiques a cultivé du borophène sur de l'argent, mais ils ont proposé une structure cristalline entièrement différente.

"Le borophène est structurellement similaire au graphène, avec un réseau hexagonal fait d'atomes de bore (au lieu de carbone) sur chacun des six sommets définissant l'hexagone, " a déclaré Bozovic. " Cependant, le borophène est différent en ce qu'il a périodiquement un atome de bore supplémentaire au centre de l'hexagone. La structure cristalline a tendance à être théoriquement stable lorsqu'environ quatre positions centrales sur cinq sont occupées et qu'une est vacante."

Selon la théorie, tant que le nombre de postes vacants est fixe, leur arrangement ne l'est pas. Tant que les vacances sont réparties de manière à maintenir la structure la plus stable (énergie la plus basse), ils peuvent être réarrangés. Grâce à cette flexibilité, le borophène peut avoir plusieurs configurations.

Un petit pas vers la fabrication d'appareils

Dans cette étude, les scientifiques ont d'abord étudié la croissance en temps réel du borophène sur des surfaces argentées à différentes températures. Ils ont cultivé les échantillons à Yale dans un microscope électronique à ultra-vide à basse énergie (LEEM) équipé d'un système MBE. Pendant et après le processus de croissance, ils ont bombardé l'échantillon avec un faisceau d'électrons à basse énergie et analysé les motifs de diffraction électronique à basse énergie (LEED) produits lorsque les électrons étaient réfléchis par la surface du cristal et projetés sur un détecteur. Parce que les électrons ont une faible énergie, ils ne peuvent atteindre que les premières couches atomiques du matériau. La distance entre les électrons réfléchis ("spots" dans les diagrammes de diffraction) est liée à la distance entre les atomes à la surface, et à partir de ces informations, les scientifiques peuvent reconstruire la structure cristalline.

Dans ce cas, les motifs ont révélé que les domaines du monocristal de borophène n'avaient que des dizaines de nanomètres de taille, trop petits pour fabriquer des dispositifs et étudier les propriétés physiques fondamentales, pour toutes les conditions de croissance. Ils ont également résolu la controverse sur la structure du borophène :les deux structures existent, mais ils se forment à des températures différentes. Les scientifiques ont confirmé leurs résultats LEEM et LEED par microscopie à force atomique (AFM). Dans l'AFM, une pointe acérée est balayée sur une surface, et la force mesurée entre la pointe et les atomes à la surface est utilisée pour cartographier l'arrangement atomique.

Pour favoriser la formation de cristaux plus gros, les scientifiques ont ensuite changé le substrat de l'argent au cuivre, appliquer le même LEEM, LEED, et les techniques AFM. Les scientifiques de Brookhaven Percy Zahl et Ilya Drozdov ont également imagé la structure de la surface à haute résolution à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM) sur mesure avec une pointe de sonde de monoxyde de carbone au Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN) - un département américain de l'Énergie (DOE) Bureau de l'installation des utilisateurs de la science. Les théoriciens de Yale Stephen Eltinge et Sohrab Ismail-Beigi ont effectué des calculs pour déterminer la stabilité des structures obtenues expérimentalement. Après avoir identifié les structures les plus stables, ils ont simulé les spectres de diffraction électronique et les images STM et les ont comparés aux données expérimentales. Ce processus itératif s'est poursuivi jusqu'à ce que la théorie et l'expérience soient en accord.

« À partir de connaissances théoriques, nous nous attendions à ce que le cuivre produise des monocristaux plus gros car il interagit plus fortement avec le borophène que l'argent, " a déclaré Bozovic. " Le cuivre donne des électrons pour stabiliser le borophène, mais les matériaux n'interagissent pas trop pour former un composé. Non seulement les monocristaux sont plus gros, mais les structures du borophène sur le cuivre sont différentes de celles cultivées sur l'argent."

Parce qu'il y a plusieurs distributions possibles des vacances en surface, diverses structures cristallines du borophène peuvent émerger. Cette étude a également montré comment la structure du borophène peut être modifiée en changeant le substrat et, dans certains cas, la température ou la vitesse de dépôt.

L'étape suivante consiste à transférer les feuilles de borophène des surfaces métalliques en cuivre vers des substrats compatibles avec les dispositifs isolants. Puis, les scientifiques seront en mesure de mesurer avec précision la résistivité et d'autres propriétés électriques importantes pour la fonctionnalité de l'appareil. Bozovic est particulièrement enthousiaste à l'idée de tester si le borophène peut être rendu supraconducteur. Certains théoriciens ont émis l'hypothèse que sa structure électronique inhabituelle pourrait même ouvrir la voie à une transmission sans perte d'électricité à température ambiante, par opposition aux températures ultrafroides habituellement requises pour la supraconductivité. Finalement, l'objectif de la recherche sur les matériaux 2D est de pouvoir affiner les propriétés de ces matériaux pour les adapter à des applications particulières.