Qu'est-ce qui fait de quelque chose un cristal ? Une pierre précieuse transparente et pailletée ? Pas nécessairement, dans le monde microscopique. Lorsque tous ses atomes sont arrangés selon des règles mathématiques précises, nous appelons le matériau un monocristal. Comme le monde naturel a sa symétrie unique, par exemple., flocons de neige ou nids d'abeilles, le monde atomique des cristaux est conçu par ses propres règles de structure et de symétrie. Cette structure matérielle a également un effet profond sur ses propriétés physiques. Spécifiquement, les monocristaux jouent un rôle important dans l'induction complète des propriétés intrinsèques d'un matériau. Face à la fin prochaine du processus de miniaturisation que le circuit intégré à base de silicium a permis jusqu'à présent, des efforts importants ont été consacrés à la recherche d'un remplacement monocristallin du silicium.

A la recherche du transistor du futur, matériaux bidimensionnels (2-D), en particulier le graphène, ont fait l'objet d'intenses recherches à travers le monde. Étant mince et flexible en raison de n'être qu'une seule couche d'atomes, cette version 2D du carbone présente même une conductivité électrique et thermique sans précédent. Cependant, les efforts de la dernière décennie pour les transistors au graphène ont été freinés par des contraintes physiques - le graphène ne permet aucun contrôle sur le flux d'électricité en raison de l'absence de bande interdite. Donc alors, qu'en est-il des autres matériaux 2D ? Il a été rapporté qu'un certain nombre de matériaux 2-D intéressants ont des propriétés similaires ou même supérieures. Toujours, le manque de compréhension dans la création de conditions expérimentales idéales pour les matériaux 2-D de grande surface a limité leur taille maximale à quelques millimètres seulement.

Les scientifiques du Center for Multidimensional Carbon Material (CMCM) au sein de l'Institute for Basic Science (IBS) ont présenté une nouvelle approche pour synthétiser à grande échelle, taille de plaquette de silicium, matériaux monocristallins 2-D. Prof. Feng Ding et Mme Leining Zhang en collaboration avec leurs collègues de l'Université de Pékin, La Chine et d'autres institutions ont trouvé un substrat avec un ordre de symétrie inférieur à celui d'un matériau 2-D qui facilite la synthèse de matériaux 2-D monocristallins dans une grande zone. "Il était essentiel de trouver le bon équilibre des symétries de rotation entre un substrat et un matériau 2D, " note le professeur Feng Ding, l'un des auteurs correspondants de cette étude. Les chercheurs ont réussi à synthétiser des monocristaux hBN de 10 x 10 cm ² en utilisant un nouveau substrat :une surface proche de Cu(110) qui a une symétrie plus faible de (1) que hBN avec (3).

Pourquoi la symétrie est-elle importante ? Symétrie, en particulier la symétrie de rotation, décrit combien de fois une certaine forme s'adapte sur elle-même pendant une rotation complète de 360 ​​degrés. La méthode la plus efficace pour synthétiser des cristaux de grande surface et des monocristaux de matériaux 2D consiste à disposer des couches sur des couches de petits monocristaux et à les faire croître sur un substrat. Dans cette croissance épitaxiale, il est assez difficile de s'assurer que tous les monocristaux sont alignés dans une seule direction. L'orientation des cristaux est souvent affectée par le substrat sous-jacent. Par analyse théorique, les scientifiques de l'IBS ont découvert qu'un îlot hBN (ou un groupe d'atomes hBN formant une seule forme triangulaire) a deux alignements équivalents sur la surface Cu (111) qui a une symétrie très élevée de (6). « Il était communément admis qu'un substrat à haute symétrie peut conduire à la croissance de matériaux à haute symétrie. Cela semblait logique intuitivement, mais cette étude a trouvé qu'il est incorrect, " dit Mme Leining Zhang, le premier auteur de l'étude.

Précédemment, divers substrats tels que Cu(111) ont été utilisés pour synthétiser du hBN monocristallin dans une large zone, mais aucun d'eux n'a réussi. Chaque effort s'est terminé par des îlots de hBN s'alignant dans plusieurs directions différentes sur les surfaces. Convaincu par le fait que la clé pour obtenir un alignement unidirectionnel est de réduire la symétrie du substrat, les chercheurs ont fait d'énormes efforts pour obtenir des surfaces vicinales d'orientation Cu(110); une surface obtenue en coupant un Cu(110) avec un petit angle d'inclinaison. C'est comme former des marches physiques sur Cu. Comme un îlot hBN a tendance à se positionner parallèlement au bord de chaque marche, il n'obtient qu'un seul alignement préféré. Le petit angle d'inclinaison réduit également la symétrie de la surface.

Les chercheurs ont finalement découvert qu'une classe de surfaces vicinales de Cu (110) peut être utilisée pour soutenir la croissance de hBN avec un alignement parfait. Sur un substrat soigneusement sélectionné avec la symétrie la plus faible (ou la surface ne se répétera qu'après une rotation de 360 ​​degrés), hBN n'a qu'une seule direction d'alignement préférée. L'équipe de recherche du professeur Kaihui Liu de l'Université de Pékin a développé une méthode unique pour recuire une grande feuille de Cu, jusqu'à 10 x 10 cm ² , en un monocristal avec la surface vicinale de Cu (110), et avec elle, ils ont réalisé la synthèse de monocristaux d'hBN de même taille.

Outre la flexibilité et l'épaisseur ultrafine, les matériaux 2-D émergents peuvent présenter des propriétés extraordinaires lorsqu'ils sont agrandis sous forme de monocristaux. "Cette étude fournit une ligne directrice générale pour la synthèse expérimentale de divers matériaux 2-D. Outre le hBN, de nombreux autres matériaux 2-D pourraient être synthétisés avec des substrats monocristallins de grande surface à faible symétrie, " dit le professeur Feng Ding. Notamment, hBN est l'isolant 2D le plus représentatif, qui est différent des matériaux conducteurs 2-D, comme le graphène, et semi-conducteurs 2-D, such as molybdenum disulfide (MoS 2 ). The vertical stacking of various types of 2-D materials, such as hBN, graphene and MoS 2 , would lead to a large number of new materials with exceptional properties and can be used for numerous applications, such as high-performance electronics, capteurs, or wearable electronics."