Les nanomatériaux pourraient constituer la base de nombreuses technologies émergentes, y compris extrêmement minuscule, souple, et l'électronique transparente.

Alors que de nombreux nanomatériaux présentent des propriétés électroniques prometteuses, les scientifiques et les ingénieurs travaillent toujours à intégrer au mieux ces matériaux ensemble pour éventuellement créer des semi-conducteurs et des circuits avec eux.

Les chercheurs de Northwestern Engineering ont créé des hétérostructures bidimensionnelles (2-D) à partir de deux de ces matériaux, graphène et borophène, franchissant une étape importante vers la création de circuits intégrés à partir de ces nanomatériaux.

"Si vous deviez ouvrir un circuit intégré à l'intérieur d'un smartphone, vous verriez de nombreux matériaux différents intégrés ensemble, " a déclaré Mark Hersam, Walter P. Murphy Professeur de science et d'ingénierie des matériaux, qui a dirigé la recherche. "Toutefois, nous avons atteint les limites de bon nombre de ces matériaux traditionnels. En intégrant ensemble des nanomatériaux comme le borophène et le graphène, nous ouvrons de nouvelles possibilités dans le domaine de la nanoélectronique."

Soutenu par l'Office for Naval Research et la National Science Foundation, les résultats ont été publiés le 11 octobre dans la revue Avancées scientifiques . Outre Hersam, Ph.D. physique appliquée. l'étudiant Xiaolong Liu a co-écrit ce travail.

Créer un nouveau type d'hétérostructure

Tout circuit intégré contient de nombreux matériaux qui remplissent différentes fonctions, comme conduire l'électricité ou garder les composants isolés électriquement. Mais alors que les transistors dans les circuits sont devenus de plus en plus petits - grâce aux progrès des matériaux et de la fabrication - ils sont sur le point d'atteindre la limite de leur taille.

Les matériaux 2D ultrafins comme le graphène ont le potentiel de contourner ce problème, mais l'intégration de matériaux 2D ensemble est difficile. Ces matériaux n'ont qu'un atome d'épaisseur, donc si les atomes des deux matériaux ne s'alignent pas parfaitement, l'intégration a peu de chances de réussir. Malheureusement, la plupart des matériaux 2D ne correspondent pas à l'échelle atomique, présentant des défis pour les circuits intégrés 2-D.

Borophène, la version 2-D du bore que Hersam et ses collègues ont synthétisé pour la première fois en 2015, est polymorphe, c'est-à-dire qu'il peut revêtir de nombreuses structures différentes et s'adapter à son environnement. Cela en fait un candidat idéal à combiner avec d'autres matériaux 2D, comme le graphène.

Pour tester s'il était possible d'intégrer les deux matériaux dans une même hétérostructure, Le laboratoire d'Hersam a cultivé à la fois du graphène et du borophène sur le même substrat. Ils ont d'abord cultivé le graphène, car il pousse à une température plus élevée, puis déposé du bore sur le même substrat et le laisser pousser dans des régions où il n'y avait pas de graphène. Ce processus a abouti à des interfaces latérales où, en raison de la nature accommodante du borophène, les deux matériaux cousus ensemble à l'échelle atomique.

Mesure des transitions électroniques

Le laboratoire a caractérisé l'hétérostructure 2D à l'aide d'un microscope à effet tunnel et a découvert que la transition électronique à travers l'interface était exceptionnellement abrupte, ce qui signifie qu'elle pourrait être idéale pour créer de minuscules dispositifs électroniques.

"Ces résultats suggèrent que nous pouvons créer des dispositifs ultra-haute densité sur la route, " a déclaré Hersam. En fin de compte, Hersam espère réaliser des structures 2D de plus en plus complexes qui conduiront à de nouveaux dispositifs et circuits électroniques. Lui et son équipe travaillent à la création d'hétérostructures supplémentaires avec du borophène, en le combinant avec un nombre croissant de centaines de matériaux 2-D connus.

« Au cours des 20 dernières années, de nouveaux matériaux ont permis la miniaturisation et l'amélioration correspondante des performances de la technologie des transistors, " at-il dit. " Les matériaux bidimensionnels ont le potentiel de faire le prochain saut. "