Des physiciens de l'Université de Sheffield ont découvert que lorsque deux matériaux atomiquement minces ressemblant au graphène sont placés l'un sur l'autre, leurs propriétés changent, et un matériau aux propriétés hybrides nouvelles émerge, ouvrant la voie à la conception de nouveaux matériaux et nano-dispositifs.

Cela se produit sans mélanger physiquement les deux couches atomiques, ni par une réaction chimique, mais en attachant les couches les unes aux autres via une interaction faible dite de van der Waals, similaire à la façon dont un ruban adhésif se fixe sur une surface plane.

Dans l'étude révolutionnaire publiée dans La nature , les scientifiques ont également découvert que les propriétés du nouveau matériau hybride peuvent être contrôlées avec précision en tordant les deux couches atomiques empilées, ouvrant la voie à l'utilisation de ce degré de liberté unique pour le contrôle à l'échelle nanométrique des matériaux composites et des nano-dispositifs dans les technologies futures.

L'idée d'empiler des couches de différents matériaux pour faire des hétérostructures remonte aux années 1960, lorsque l'arséniure de gallium semi-conducteur a été étudié pour fabriquer des lasers miniatures, qui sont maintenant largement utilisés.

Aujourd'hui, Les hétérostructures sont courantes et sont très largement utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs comme outil pour concevoir et contrôler les propriétés électroniques et optiques des dispositifs.

Plus récemment à l'ère des cristaux bidimensionnels atomiquement minces (2-D), comme le graphène, de nouveaux types d'hétérostructures sont apparus, où des couches atomiquement minces sont maintenues ensemble par des forces de van der Waals relativement faibles.

Les nouvelles structures surnommées « hétérostructures de van der Waals » ouvrent un énorme potentiel pour créer de nombreux « méta »-matériaux et de nouveaux dispositifs en empilant un nombre quelconque de couches atomiquement minces. Des centaines de combinaisons deviennent possibles autrement inaccessibles dans les matériaux tridimensionnels traditionnels, donnant potentiellement accès à de nouvelles fonctionnalités de dispositifs optoélectroniques inexplorées ou à des propriétés de matériaux inhabituelles.

Dans l'étude, les chercheurs ont utilisé des hétérostructures de van der Waals constituées de dichalcogénures de métaux de transition (TMD), une large famille de matériaux stratifiés. Dans leur forme tridimensionnelle en vrac, ils sont quelque peu similaires au graphite - le matériau utilisé dans les mines de crayon - d'où le graphène a été extrait sous forme d'une seule couche atomique 2-D de carbone.

Les chercheurs ont découvert que lorsque deux TMD semi-conducteurs atomiquement minces sont combinés en une seule structure, leurs propriétés s'hybrident.

le professeur Alexandre Tartakovskii, du Département de physique et d'astronomie de l'Université de Sheffield, a dit :« Les matériaux s'influencent mutuellement et changent les propriétés les uns des autres, et doivent être considérés comme un tout nouveau « méta »-matériau avec des propriétés uniques, donc un plus un ne fait pas deux.

"Nous constatons également que le degré d'une telle hybridation dépend fortement de la torsion entre les réseaux atomiques individuels de chaque couche.

"Nous constatons qu'en tordant les couches, la nouvelle périodicité supra-atomique apparaît dans l'hétérostructure, appelée super-réseau moiré.

"Le super-réseau moiré, avec la période dépendant de l'angle de torsion régit la façon dont les propriétés des deux semi-conducteurs s'hybrident."

Dans d'autres études, des effets similaires ont été découverts et étudiés principalement dans le graphène, le membre « fondateur » de la famille des matériaux 2D. La dernière étude montre que d'autres matériaux, en particulier les semi-conducteurs tels que les TMD, montrent une forte hybridation, qui en plus peut être contrôlé par l'angle de torsion.

Les scientifiques pensent que l'étude montre un énorme potentiel pour la création de nouveaux types de matériaux et de dispositifs.

Le professeur Tartakovskii a ajouté :« L'image plus complexe de l'interaction entre des matériaux atomiquement minces au sein des hétérostructures de van der Waals émerge. C'est passionnant, car il donne la possibilité d'accéder à une gamme encore plus large de propriétés matérielles telles que la conductivité électrique et la réponse optique inhabituelles et ajustables par torsion, le magnétisme, etc. Cela pourrait et sera utilisé comme de nouveaux degrés de liberté lors de la conception de nouveaux dispositifs basés sur la 2-D. "

Les chercheurs aimeraient faire d'autres études pour explorer plus de combinaisons de matériaux afin de voir quelles sont les capacités de la nouvelle méthode.