Des chercheurs de l'Université métropolitaine de Tokyo ont développé des couches cristallines atomiquement minces de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) avec une composition variable dans l'espace, alimenter en continu différents types de TMDC dans une chambre de croissance pour adapter les changements de propriétés. Les exemples incluent des bandes de 20 nanomètres entourées de TMDC avec des interfaces atomiquement droites et des structures en couches. Ils ont également sondé directement les propriétés électroniques de ces hétérostructures; les applications potentielles incluent l'électronique avec une efficacité énergétique inégalée.

Les semi-conducteurs sont indispensables; les circuits intégrés à base de silicium sous-tendent le fonctionnement de tout ce qui est numérique, à partir d'appareils discrets comme les ordinateurs, smartphones et appareils électroménagers pour contrôler les composants de toutes les applications industrielles possibles. Un large éventail de recherches scientifiques a été consacré aux prochaines étapes de la conception des semi-conducteurs, en particulier l'application de nouveaux matériaux pour une conception plus compacte, des circuits efficaces qui exploitent le comportement mécanique quantique des matériaux à l'échelle nanométrique. Les matériaux avec une dimensionnalité fondamentalement différente sont d'un intérêt particulier; l'exemple le plus connu est le graphène, un réseau bidimensionnel d'atomes de carbone qui est atomiquement mince.

Les dichalcogénures de métaux de transition (ou TMDC) sont des candidats prometteurs pour l'incorporation dans de nouveaux dispositifs semi-conducteurs. Composé de métaux de transition comme le molybdène et le tungstène et d'un chalcogène (ou élément du groupe 16) comme le soufre ou le sélénium, ils peuvent former des structures cristallines en couches dont les propriétés changent radicalement lorsque l'élément métallique est modifié, des métaux normaux aux semi-conducteurs, même aux supraconducteurs. En tissant de manière contrôlée des domaines de différentes TMDC en une seule hétérostructure (constituée de domaines de composition différente), il peut être possible de produire de l'électronique atomiquement mince avec des propriétés supérieures aux appareils existants.

Une équipe dirigée par le Dr Yu Kobayashi et le professeur agrégé Yasumitsu Miyata de l'Université métropolitaine de Tokyo a été à la pointe des efforts visant à créer des hétérostructures bidimensionnelles avec différents TMDC en utilisant le dépôt en phase vapeur, le dépôt de matériau précurseur à l'état de vapeur sur une surface pour former des couches cristallines atomiquement plates. L'un des plus grands défis auxquels ils ont été confrontés a été de créer une interface parfaitement plate entre les différents domaines, une caractéristique essentielle pour tirer le meilleur parti de ces appareils. Maintenant, ils ont réussi à concevoir un processus continu pour faire croître des bandes cristallines bien définies de différents TMDC à la lisière des domaines existants, créer des bandes aussi fines que 20 nm avec une composition différente. Leur nouveau procédé utilise des précurseurs liquides qui peuvent être introduits séquentiellement dans une chambre de croissance; en optimisant le taux de croissance, ils ont pu développer des hétérostructures avec des domaines distincts parfaitement liés sur des bords atomiquement droits. Ils ont directement imagé la liaison en utilisant la microscopie à effet tunnel (STM), trouver un excellent accord avec les premiers principes simulations numériques de ce à quoi devrait ressembler une interface idéale. L'équipe a utilisé quatre TMDC différents, et a également réalisé une hétérostructure couche sur couche.

En créant des interfaces atomiquement nettes, les électrons peuvent être effectivement confinés dans des espaces unidimensionnels sur ces dispositifs 2-D, pour un contrôle exquis du transport des électrons et de la résistivité ainsi que des propriétés optiques. L'équipe espère que cela ouvrira la voie à des appareils dotés d'une efficacité énergétique inégalée et de nouvelles propriétés optiques.