Des chercheurs de l'Université Johns Hopkins ont développé une nouvelle méthode pour produire des cristaux semi-conducteurs atomiquement minces qui pourraient un jour permettre des appareils électroniques plus puissants et plus compacts.

En utilisant des surfaces de silicium spécialement traitées pour adapter la taille et la forme des cristaux, les chercheurs ont trouvé un moyen potentiellement plus rapide et moins coûteux de produire des cristaux semi-conducteurs de nouvelle génération pour les micropuces. Les matériaux cristallins ainsi produits pourraient à leur tour permettre de nouvelles découvertes scientifiques et accélérer les développements technologiques en informatique quantique, électronique grand public, et des piles et batteries solaires à plus haut rendement.

Les résultats sont décrits dans un article publié aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie .

"Avoir une méthode pour sculpter des cristaux à l'échelle nanométrique avec précision, vite, et sans avoir besoin de processus descendants traditionnels, présente des avantages majeurs pour une utilisation généralisée des nanomatériaux dans les applications technologiques, " a déclaré Thomas J. Kempa, un professeur de chimie à l'Université Johns Hopkins qui a dirigé la recherche.

L'équipe de Kempa a d'abord aspergé des substrats de silicium - les supports largement utilisés dans les environnements industriels pour transformer les semi-conducteurs en dispositifs - avec du gaz phosphine. Lorsque les cristaux ont été amenés à croître sur les supports de silicium traités à la phosphine, les auteurs ont découvert qu'ils se développaient en des structures bien plus petites et de meilleure qualité que les cristaux préparés par des moyens traditionnels.

Les chercheurs ont découvert que la réaction de la phosphine avec le support en silicium provoquait la formation d'une nouvelle "surface design". Cette surface a incité les cristaux à se développer sous forme de « rubans » horizontaux par opposition aux feuilles planes et de forme triangulaire qui sont généralement produites. De plus, le teint uniforme et la structure aux bords nets de ces rubans rivalisaient avec la qualité des nanocristaux préparés par des processus de gravure et de gravure standard de l'industrie, qui sont souvent laborieux, longue, et cher, dit Kempa.

Les nanocristaux préparés dans cette étude sont appelés « dichalcogénures de métaux de transition » ou TMD. Comme le graphène, Les TMD ont fait l'objet d'une large attention pour leurs propriétés puissantes qui sont une conséquence unique de leur échelle « bidimensionnelle ». Mais les méthodes de traitement conventionnelles ont du mal à modifier facilement la texture des TMD de manière à s'adapter aux nouvelles découvertes et au développement de technologies plus performantes.

Notamment, les versions des TMD que Kempa et son équipe ont pu créer étaient si petites qu'ils les ont surnommées "unidimensionnelles" pour les différencier des feuilles bidimensionnelles habituelles que la plupart des chercheurs connaissent.

Les limitations du traitement des matériaux sont l'une des raisons pour lesquelles la loi de Moore a ralenti ces dernières années. La règle, posé en 1965 par le co-fondateur d'Intel Gordon E. Moore, indique que le nombre de transistors, et leurs performances, dans un circuit intégré dense doublera environ tous les deux ans. Emballer autant de transistors de la taille d'un micron dans des micropuces, ou circuits intégrés, est la raison pour laquelle l'électronique grand public est devenue de plus en plus petite, plus rapide, et plus intelligent au cours des dernières décennies.

Cependant, l'industrie des semi-conducteurs a maintenant du mal à maintenir ce rythme.

Les caractéristiques notables des cristaux préparés par Kempa et son équipe incluent :

1. Leur structure atomique et leur qualité hautement uniformes découlent du fait qu'elles ont été synthétisées plutôt que fabriquées par les méthodes traditionnelles de modelage et de gravure. La qualité élégante de ces cristaux pourrait les rendre plus efficaces pour conduire et convertir l'énergie dans les cellules solaires ou les catalyseurs.
2. Les chercheurs ont pu faire croître directement les cristaux selon leurs spécifications précises en modifiant la quantité de phosphine.
3. Le "substrat design" est "modulaire, " ce qui signifie que les laboratoires universitaires et industriels pourraient utiliser cette technologie en conjonction avec d'autres processus de croissance cristalline existants pour fabriquer de nouveaux matériaux.
4. Les "substrats design" sont également réutilisables, économiser de l'argent et du temps sur le traitement.
5. Le résultat en forme de ruban, les cristaux unidimensionnels émettent une lumière dont la couleur peut être ajustée en ajustant la largeur du ruban, indiquant leur potentiel potentiel dans les applications d'information quantique.

"Nous contribuons à une avancée fondamentale dans le contrôle rationnel de la forme et de la dimension des matériaux nanométriques, " a déclaré Kempa.

Cette méthode peut "sculpter des cristaux à l'échelle nanométrique d'une manière qui n'était pas facilement possible auparavant, " Il a ajouté. " Un contrôle synthétique aussi précis de la taille des cristaux à ces échelles de longueur est sans précédent. "

"Notre méthode pourrait économiser du temps de traitement et de l'argent, " a-t-il dit. " Notre capacité à contrôler ces cristaux à volonté pourrait permettre des applications dans le stockage d'énergie, l'informatique quantique et la cryptographie quantique."