Illustration. Or quasi bidimensionnel. Crédit :Ella Maru Studio
Des chercheurs du MIPT Center for Photonics and 2-D Materials ont synthétisé un film d'or quasi-2-D, révélant comment des matériaux qui ne sont généralement pas classés comme bidimensionnels peuvent former des couches atomiquement minces. Publié dans Interfaces de matériaux avancées , l'étude montre qu'en utilisant du bisulfure de molybdène monocouche comme couche d'adhérence, l'or quasi-2-D peut être déposé sur une surface arbitraire. L'équipe dit que les films d'or ultrafins qui en résultent, qui n'ont que quelques nanomètres d'épaisseur, conduisent très bien l'électricité et sont utiles pour l'électronique flexible et transparente. La découverte pourrait contribuer à une nouvelle classe de métamatériaux optiques avec le potentiel unique de contrôler la lumière.
Le premier matériau 2-D découvert, Le graphène est une feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome dans une formation en nid d'abeille. Sa synthèse et l'étude de ses propriétés passionnantes ont donné naissance à un domaine scientifique et technologique entièrement nouveau. Les expériences révolutionnaires concernant le graphène ont valu aux diplômés du MIPT Andre Geim et Kostya Novoselov le prix Nobel de physique 2010.
Depuis, plus de 100 cousins graphène ont été découverts. Leurs propriétés intrigantes avaient des applications en biomédecine, l'électronique et l'industrie aérospatiale. Ces matériaux appartiennent à la classe des cristaux stratifiés dont les couches sont faiblement liées les unes aux autres mais ont une forte intégrité interne. Par exemple, le graphite dans un crayon est essentiellement constitué de nombreuses couches empilées de graphène liées si faiblement que Geim et Novoselov ont utilisé du ruban adhésif pour les décoller.
Cependant, de nombreux matériaux, comme l'or, argent, et cuivre, n'ont pas de structure en couches. Toujours, ils pourraient théoriquement former des couches 2D, ce qui serait indispensable pour une électronique souple et transparente. Parmi les applications possibles figurent même des électrodes ultrafines qui permettraient des interfaces neuronales susceptibles de résoudre des problèmes médicaux, et éventuellement intégrer le système nerveux d'un être vivant avec des appareils électroniques.
Jusque récemment, la seule technologie pour déposer des films métalliques sur des surfaces arbitraires a donné des couches qui n'étaient pas assez minces. Il s'agit d'évaporer thermiquement un échantillon de métal 3D sous vide poussé. Les particules métalliques évaporées adhèrent alors à un substrat à base de silicium, formant des îlots de taille nanométrique, qui grossissent peu à peu, finalement combler les écarts entre eux. Ce processus ne donne des films relativement homogènes que lorsqu'ils ont 20 nanomètres d'épaisseur. Les ingénieurs ont besoin de films transparents, ce qui signifie qu'ils doivent être plus de deux fois plus minces. Arrêter le dépôt plus tôt n'est pas non plus une option, car les films présentent encore trop de lacunes et d'inhomogénéités (voir l'image en bas à droite de la figure 2), altérant leur conductivité électrique. De la même manière, un treillis métallique est un pire conducteur par rapport à une feuille de métal.
Figure 1. La méthode utilisée dans l'étude :L'or (Au) est déposé sur une monocouche de bisulfure de molybdène (MoS₂), qui repose sur un substrat de silicium (Si) avec une couche oxydée marquée SiO₂; « écart vdW » désigne l'écart de van der Waals. Crédit :MIPT
Les chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont commencé par émettre l'hypothèse que des métaux 2D pourraient être déposés sur d'autres matériaux 2D. Le graphène a été le premier candidat, mais l'or lui montra peu de mouillage. Par conséquent, l'or a été déposé sous forme de piliers. Ce mode de croissance vertical a rendu problématique la fermeture des lacunes dans le film. Bien que le dépôt d'or sur graphène soit intéressant pour d'autres applications, telles que la spectroscopie Raman à surface augmentée, les films inférieurs à 10 nanomètres ainsi obtenus ne conduisent pas l'électricité.
L'équipe a ensuite étudié la croissance de films métalliques sur des dichalcogénures de métaux de transition 2D. Spécifiquement, du bisulfure de molybdène a été utilisé, parce que les composés soufrés sont connus pour être parmi les très rares à former des liaisons stables avec l'or.
"Nous avons cette idée depuis un certain temps. Cependant, de nombreuses technologies permettant de travailler avec des matériaux 2D sont encore en cours de développement. Tous ne sont pas largement disponibles, " a expliqué Yury Stebunov, l'un des principaux auteurs de l'article. « Cette étude a nécessité des moyens importants, à la fois humaine et matérielle. C'est en obtenant une subvention dans le cadre du programme présidentiel que nous avons pu mettre nos idées en pratique."
Les chercheurs du MIPT ont utilisé l'évaporation thermique sous vide poussé pour déposer de minces couches d'or sur un substrat de silicium recouvert de dioxyde de silicium et d'une monocouche de bisulfure de molybdène (figure 1). L'équipe a utilisé la microscopie électronique et à force atomique pour comparer la structure de ces films d'or à différentes épaisseurs à des films analogues cultivés sur du dioxyde de silicium pur, c'est-à-dire sans la monocouche de bisulfure de molybdène (figure 2). L'interface de matériau 2D ajoutée a donné des films d'or continus avec une conductivité électrique supérieure à une épaisseur moindre de seulement 3-4 nanomètres.
Étant donné que les dispositifs photoniques et optoélectroniques sont une application clé de ces films métalliques quasi-2-D, les physiciens ont étudié les propriétés optiques de leurs échantillons par ellipsométrie spectrale, rapportant pour la première fois les constantes optiques pour des films d'or ultrafins.
Figure 2. Films d'or (Au) d'épaisseur variable - indiqués en nanomètres (nm) - déposés sur le substrat de dioxyde de silicium (SiO₂, rangée du bas) et une monocouche de bisulfure de molybdène (MoS₂, rangée du haut), comme on le voit au microscope électronique. Crédit :Les chercheurs
L'auteur principal de l'article, professeur Valentin Volkov de l'Université du Danemark du Sud, qui dirige également le Laboratoire de nanooptique et plasmonique du MIPT, a commenté :« Tout chercheur peut utiliser nos données pour modéliser des dispositifs photoniques ou optoélectroniques ou même les matériaux artificiels appelés métamatériaux. Finalement, la technologie que nous avons proposée peut aider à concevoir de tels matériaux et dispositifs."
Une seule couche ajoutée de bisulfure de molybdène a permis d'obtenir des films métalliques ultrafins et lisses. L'équipe souligne l'applicabilité universelle de leur technique :la monocouche peut être déposée sur une surface arbitraire avec toutes les propriétés pour produire un ultrafin, revêtement de film métallique ultra-lisse. De telles couches métalliques quasi-2-D peuvent être intégrées dans des structures "sandwich" multicouches incorporant divers matériaux 2-D. Connues sous le nom d'hétérostructures de van der Waals, ils peuvent contenir divers "ingrédients, " y compris les semi-conducteurs, diélectriques, semi-métaux, et - désormais - les métaux, trop.
Co-auteur de l'étude, Alexeï Arsenin, qui dirige le Center for Photonics and 2-D Materials du MIPT, a ajouté:"Nous pensons que ce n'est que le début de la science du métal quasi-2-D. Il y a quelque temps, ces matériaux étaient inaccessibles même aux scientifiques. Avec notre technologie, on peut parler des perspectives qu'elles offrent pour une électronique flexible et transparente. Avec un peu de chance, nous le verrons bientôt en production."
