Une photo du prototype d'exfoliant. Le système robotique transfère les flocons 2-D pelés du cristal parent à un substrat. L'exfoliant permet aux scientifiques de contrôler la pression d'emboutissage, temps pressant, nombre d'appuis répétés, angle de pression, et la force latérale appliquée lors du transfert, pour une meilleure répétabilité. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Extraire une pile de livres de la bibliothèque est aussi simple que de rechercher dans le catalogue de la bibliothèque et d'utiliser des numéros d'appel uniques pour retirer chaque livre de son emplacement sur les étagères. En utilisant un principe similaire, des scientifiques du Center for Functional Nanomaterials (CFN) - une installation d'utilisateurs du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) au Brookhaven National Laboratory - s'associent à l'Université de Harvard et au Massachusetts Institute of Technology (MIT) pour créer une première système automatisé unique en son genre pour cataloguer des matériaux bidimensionnels (2D) atomiquement minces et les empiler dans des structures en couches. Appelé la presse matérielle quantique, ou QPress, ce système accélérera la découverte de matériaux de nouvelle génération pour le domaine émergent de la science de l'information quantique (QIS).
Les structures obtenues en empilant des couches atomiques uniques ("flocons") décollées de différents cristaux en vrac parents sont intéressantes en raison de l'électronique exotique, magnétique, et les propriétés optiques qui émergent à de si petites échelles de taille (quantique). Cependant, l'exfoliation des flocons est actuellement un processus manuel qui donne une variété de tailles de flocons, formes, orientation, et le nombre de couches. Les scientifiques utilisent des microscopes optiques à fort grossissement pour rechercher manuellement des milliers de flocons afin de trouver ceux qu'ils souhaitent, et cette recherche peut parfois prendre des jours voire une semaine, et est sujette à l'erreur humaine.
Une fois les flocons 2D de haute qualité de différents cristaux localisés et leurs propriétés caractérisées, ils peuvent être assemblés dans l'ordre souhaité pour créer les structures en couches. L'empilement prend beaucoup de temps, prenant souvent plus d'un mois pour assembler une structure à une seule couche. Pour déterminer si les structures générées sont optimales pour les applications QIS, allant de l'informatique et du cryptage à la détection et aux communications, les scientifiques doivent ensuite caractériser les propriétés des structures.
"En discutant avec nos collaborateurs universitaires à Harvard et au MIT qui synthétisent et étudient ces hétérostructures en couches, nous avons appris que même si des éléments d'automatisation existent, tels que des logiciels pour localiser les flocons et des joysticks pour manipuler les flocons, il n'existe pas de solution entièrement automatisée, " a déclaré le directeur du CFN, Charles Black, le responsable administratif du projet QPress.
L'idée du QPress a été conçue début 2018 par le professeur Amir Yacoby du département de physique de Harvard. Le concept a ensuite été affiné grâce à une collaboration entre Yacoby; Black et Kevin Yager, chef du groupe CFN sur les nanomatériaux électroniques; Philippe Kim, également du département de physique de Harvard; et Pablo Jarillo-Herrero et Joseph Checkelsky, tous deux du département de physique du MIT.
D'après Black, le rôle unique de CFN était clair :« Nous avons réalisé que la construction d'un robot qui peut permettre la conception, synthèse, et les tests de matériaux quantiques sont extrêmement bien adaptés aux compétences et à l'expertise des scientifiques du CFN. En tant qu'installation utilisateur, Le CFN se veut une ressource pour la communauté scientifique, et QIS est l'un de nos domaines de croissance pour lequel nous développons nos capacités, programmes scientifiques, et le personnel."
Un schéma montrant le flux de travail pour le catalogage des emplacements et des propriétés des flocons. Des grilles d'images d'échantillons exfoliés sont automatiquement analysées, avec chaque flocon suivi individuellement afin que les scientifiques puissent localiser n'importe quel flocon souhaité sur un échantillon. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Le graphène stimule la recherche sur les matériaux 2D
L'intérêt pour les matériaux 2D remonte à 2004, lorsque des scientifiques de l'Université de Manchester ont isolé le premier matériau 2D au monde, graphène - une seule couche d'atomes de carbone. Ils ont utilisé une technique étonnamment basique dans laquelle ils ont placé un morceau de graphite (le matériau de base des crayons) sur du scotch, plier à plusieurs reprises le ruban en deux et le décoller pour en extraire des flocons toujours plus fins. Puis, ils ont frotté le ruban sur une surface plane pour transférer les flocons. Sous un microscope optique, les flocons d'un atome d'épaisseur peuvent être localisés par leur réflectivité, apparaissant comme des taches très faibles. Reconnu par un prix Nobel en 2010, la découverte du graphène et de ses propriétés inhabituelles, notamment sa résistance mécanique et sa conductivité électrique et thermique remarquables, a incité les scientifiques à explorer d'autres matériaux 2D.
De nombreux laboratoires continuent d'utiliser cette approche laborieuse pour fabriquer et trouver des flocons 2D. Bien que l'approche ait permis aux scientifiques d'effectuer diverses mesures sur le graphène, des centaines d'autres cristaux, y compris des aimants, supraconducteurs, et les semi-conducteurs - peuvent être exfoliés de la même manière que le graphite. De plus, différents flocons 2D peuvent être empilés pour construire des matériaux qui n'ont jamais existé auparavant. Les scientifiques ont découvert très récemment que les propriétés de ces structures empilées dépendent non seulement de l'ordre des couches mais aussi de l'angle relatif entre les atomes dans les couches. Par exemple, un matériau peut être accordé d'un état métallique à un état isolant simplement en contrôlant cet angle. Compte tenu de la grande variété d'échantillons que les scientifiques aimeraient explorer et de la nature sujette aux erreurs et chronophage des méthodes de synthèse manuelle, des approches automatisées sont grandement nécessaires.
"Finalement, nous aimerions développer un robot qui délivre une structure empilée basée sur les séquences de flocons 2D et les orientations cristallines que les scientifiques sélectionnent via une interface web vers la machine, " dit Black. " En cas de succès, le QPress permettrait aux scientifiques de consacrer leur temps et leur énergie à étudier les matériaux, plutôt que de les faire."
Une approche modulaire
En septembre 2018, le développement ultérieur de QPress a reçu un financement du DOE, avec une approche en deux parties. Un prix était pour le développement de matériel QPress à Brookhaven, dirigé par Black; Yager; Les scientifiques du CFN Gregory Doerk, Aaron Stein, et Jerzy Sadowski; et l'associé scientifique du CFN Young Jae Shin. L'autre prix était pour un projet de recherche coordonné dirigé par Yacoby, Kim, Jarillo-Herrero, et Checkelsky. Les physiciens de Harvard et du MIT utiliseront le QPress pour étudier des formes exotiques de supraconductivité - la capacité de certains matériaux à conduire l'électricité sans perte d'énergie à très basse température - qui existent à l'interface entre un supraconducteur et un aimant. Certains scientifiques pensent que ces états exotiques de la matière sont essentiels pour faire progresser l'informatique quantique, qui devrait surpasser les capacités du supercalculateur le plus puissant d'aujourd'hui.
Une machine automatisée entièrement intégrée composée d'un exfoliant, un catalogueur, une bibliothèque, un empileur, et un caractérisateur est attendu dans trois ans. Cependant, ces modules seront mis en ligne par étapes pour permettre l'utilisation de QPress dès le début.
Le QPress aura cinq modules une fois terminé :un exfoliant, un catalogueur, une bibliothèque de matériaux, un empileur, et un caracteriseur/fabricant. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
L'équipe a déjà fait quelques progrès. Ils ont construit un prototype d'exfoliant qui imite l'action d'un homme qui pèle les flocons d'un cristal de graphite. L'exfoliant presse un tampon polymère dans un cristal parent en vrac et transfère les flocons exfoliés en les pressant sur un substrat. Dans leur première série d'expériences, l'équipe a étudié comment changer divers paramètres - pression d'emboutissage, temps pressant, nombre d'appuis répétés, angle de pression, et la force latérale appliquée pendant le transfert—impacte le processus.
"L'un des avantages d'utiliser un robot est que, contrairement à un humain, il reproduit les mêmes mouvements à chaque fois, et nous pouvons optimiser ces mouvements pour générer beaucoup de gros flocons très fins, " expliqua Yager. " Ainsi, l'exfoliant améliorera à la fois la qualité et la quantité des flocons 2D décollés des cristaux parents en affinant la vitesse, précision, et la répétabilité du processus."
En collaboration avec le professeur assistant de l'Université Stony Brook Minh Hoai Nguyen du Département d'informatique et de doctorat. étudiant Boyu Wang du Computer Vision Lab, les scientifiques sont également en train de construire un catalogueur en flocons. Grâce à un logiciel d'analyse d'images, le catalogueur scanne un substrat et enregistre les emplacements des flocons exfoliés et leurs propriétés.
"Les flocons qui intéressent les scientifiques sont fins et donc faibles, l'inspection visuelle manuelle est donc un processus laborieux et sujet aux erreurs, ", a déclaré Nguyen. "Nous utilisons des techniques de vision par ordinateur et d'apprentissage en profondeur de pointe pour développer des logiciels capables d'automatiser ce processus avec une plus grande précision."
"Nos collaborateurs ont déclaré qu'un système capable de cartographier leur échantillon de flocons et de leur montrer où se trouvent les "bons" flocons - tels que déterminés par les paramètres qu'ils définissent - serait extrêmement utile pour eux, " a déclaré Yager. "Nous avons maintenant cette capacité et aimerions l'utiliser."
Finalement, l'équipe prévoit de stocker un grand nombre de différents flocons catalogués sur des étagères, semblable aux livres dans une bibliothèque. Les scientifiques pourraient alors accéder à cette bibliothèque de matériaux pour sélectionner les flocons qu'ils souhaitent utiliser, et le QPress les récupérerait.
D'après Black, le plus grand défi sera la construction de l'empileur - le module qui récupère les échantillons de la bibliothèque, « conduit » vers les emplacements où résident les flocons sélectionnés, et ramasse les flocons et les place dans un processus répétitif pour construire des piles selon les instructions d'assemblage que les scientifiques programment dans la machine. Finalement, les scientifiques aimeraient que l'empileur assemble les structures en couches non seulement plus rapidement mais aussi avec plus de précision que les méthodes manuelles.
Le dernier module du robot sera un caractérisateur de matériau, qui fournira une rétroaction en temps réel tout au long du processus de synthèse. Par exemple, le dispositif de caractérisation identifiera la structure cristalline et l'orientation des flocons exfoliés et des structures en couches par diffraction électronique à basse énergie (LEED) - une technique dans laquelle un faisceau d'électrons à basse énergie est dirigé vers la surface d'un échantillon pour produire un motif de diffraction caractéristique de la géométrie surfacique.
« La livraison d'une solution entièrement automatisée comporte de nombreuses étapes, " a déclaré Black. " Nous avons l'intention de mettre en œuvre les capacités de QPress dès qu'elles seront disponibles pour maximiser les avantages pour la communauté QIS. "
