Les scientifiques ont visualisé pour la première fois la structure électronique d'un dispositif microélectronique, ouvrant des opportunités pour des appareils électroniques de haute performance finement réglés.

Des physiciens de l'Université de Warwick et de l'Université de Washington ont mis au point une technique pour mesurer l'énergie et la quantité de mouvement des électrons dans le fonctionnement de dispositifs microélectroniques constitués de matériaux atomiquement minces, soi-disant bidimensionnel, matériaux.

En utilisant ces informations, ils peuvent créer des représentations visuelles des propriétés électriques et optiques des matériaux pour guider les ingénieurs dans la maximisation de leur potentiel dans les composants électroniques.

L'étude menée expérimentalement est publiée dans La nature aujourd'hui (17 juillet) et pourrait également contribuer à ouvrir la voie aux semi-conducteurs bidimensionnels susceptibles de jouer un rôle dans la prochaine génération d'électronique, dans des applications telles que le photovoltaïque, appareils mobiles et ordinateurs quantiques.

La structure électronique d'un matériau décrit le comportement des électrons dans ce matériau, et donc la nature du courant qui le traverse. Ce comportement peut varier en fonction de la tension - la quantité de "pression" sur ses électrons - appliquée au matériau, et ainsi les modifications de la structure électronique avec la tension déterminent l'efficacité des circuits microélectroniques.

Ces changements dans la structure électronique des dispositifs d'exploitation sont à la base de toute l'électronique moderne. Jusqu'à maintenant, cependant, il n'y a eu aucun moyen de voir directement ces changements pour nous aider à comprendre comment ils affectent le comportement des électrons.

En appliquant cette technique, les scientifiques auront les informations dont ils ont besoin pour développer des composants électroniques « affinés » qui fonctionnent plus efficacement et fonctionnent à hautes performances avec une consommation d'énergie plus faible. Il contribuera également au développement de semi-conducteurs bidimensionnels qui sont considérés comme des composants potentiels pour la prochaine génération d'électronique, avec des applications en électronique flexible, photovoltaïque, et la spintronique. Contrairement aux semi-conducteurs tridimensionnels d'aujourd'hui, les semi-conducteurs bidimensionnels ne sont constitués que de quelques couches d'atomes.

Le Dr Neil Wilson du département de physique de l'Université de Warwick a déclaré :« La façon dont la structure électronique change avec la tension est ce qui détermine le fonctionnement d'un transistor dans votre ordinateur ou votre téléviseur. Pour la première fois, nous visualisons directement ces changements. voir comment cela change avec les tensions était un grand chaînon manquant. Ce travail est au niveau fondamental et constitue un grand pas dans la compréhension des matériaux et de la science qui les sous-tend.

« La nouvelle compréhension des matériaux nous a aidés à comprendre les bandes interdites de ces semi-conducteurs, qui est le paramètre le plus important qui affecte leur comportement, à partir de quelle longueur d'onde de lumière ils émettent, à la façon dont ils commutent le courant dans un transistor."

La technique utilise la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) pour « exciter » les électrons dans le matériau choisi. En focalisant un faisceau de lumière ultraviolette ou de rayons X sur des atomes dans une zone localisée, les électrons excités sont éliminés de leurs atomes. Les scientifiques peuvent alors mesurer l'énergie et la direction de déplacement des électrons, à partir de laquelle ils peuvent calculer l'énergie et la quantité de mouvement qu'ils avaient dans le matériau (en utilisant les lois de la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement). Qui détermine la structure électronique du matériau, qui peuvent ensuite être comparées à des prédictions théoriques basées sur des calculs de structure électronique de pointe effectués dans ce cas par le groupe de recherche du co-auteur Dr Nicholas Hine.

L'équipe a d'abord testé la technique à l'aide de graphène avant de l'appliquer à des semi-conducteurs bidimensionnels de dichalcogénure de métal de transition (TMD). Les mesures ont été prises sur la ligne de lumière Spectromicroscopie du synchrotron ELETTRA en Italie, en collaboration avec le Dr Alexei Barinov et son groupe là-bas.

Dr David Cobden, professeur au Département de physique de l'Université de Washington, a déclaré:"Auparavant, la seule façon d'apprendre ce que font les électrons dans un dispositif semi-conducteur en fonctionnement était de comparer ses caractéristiques courant-tension avec des modèles compliqués. Maintenant, grâce aux avancées récentes qui permettent d'appliquer la technique ARPES à de minuscules taches, combiné avec l'avènement des matériaux bidimensionnels où l'action électronique peut être à la surface même, nous pouvons mesurer directement le spectre électronique en détail et voir comment il évolue en temps réel. Cela change la donne."

Dr Xiaodong Xu, du Département de physique et du Département de science et génie des matériaux de l'Université de Washington, a déclaré :« Cette puissante technique de spectroscopie ouvrira de nouvelles opportunités pour étudier les phénomènes fondamentaux, tels que la visualisation de la transition de phase topologique accordable électriquement et des effets de dopage sur les phases électroniques corrélées, qui sont autrement difficiles."