Il suffit d'ajouter du soufre.

Les ingénieurs du Nebraska Peter et Eli Sutter ont montré que le condiment élémentaire peut pimenter un sandwich de nanomatériaux en mettant une touche littérale sur le classique multicouche.

Cette torsion, une rotation de 30 degrés de chaque couche atomiquement mince par rapport à celle en dessous, pourraient contribuer à animer les menus technologiques des laboratoires cinq étoiles du monde entier :propriétés électroniques ou optiques émergentes, plus grande vitesse, plus de fonctionnalités dans moins d'espace.

Après tout, tu es mon van der Waals

Pendant près d'une décennie, les ingénieurs ont élaboré et testé des recettes pour ce qu'on appelle les hétérostructures de van der Waals :des empilements de couches cristallines atomiquement minces qui peuvent être séquencées de la même manière. Par rapport à une homostructure - l'équivalent nanoscopique d'une tranche de jambon - une hétérostructure pourrait comporter des tranches de pastrami, pepperoni et pepper jack, tous maintenus ensemble par les faibles forces de van der Waals parmi les couches atomiques voisines.

"Cet empilement ouvre de nombreuses possibilités, car il nous permet de mélanger et assortir une vaste bibliothèque de matériaux disponibles, " dit Pierre, professeur de génie électrique et informatique.

Les ingénieurs ont vite découvert que la diversité pouvait cultiver des propriétés technologiquement intéressantes, souvent dans les régions où deux matériaux différents se rencontrent, qui sont autrement difficiles ou impossibles à recréer. Puis, il y a quelques années, les chercheurs ont commencé à explorer les effets de la rotation des couches dans les piles de van der Waals. Ce désalignement des couches, ils ont trouvé, pourrait également donner des résultats intéressants :transformer un matériau en supraconducteur, par exemple, ou changer la façon dont un semi-conducteur émet de la lumière.

Pourtant, la réalisation est venue face à un défi considérable :malgré la faiblesse des forces de van der Waals, les couches adjacentes préfèrent fortement rester alignées. L'empilement manuel des couches une par une peut résoudre le problème mais exige une précision extrême et, plus important, temps que les grands fabricants de technologies à petite échelle n'ont tout simplement pas.

"Ce n'est pas évolutif d'une manière (significative), " dit Eli, professeur de génie mécanique et des matériaux. « Si l'on veut développer des applications basées sur des empilements de van der Waals torsadés, il est impossible d'imaginer des ouvriers d'usine assis là et arrangeant ces pièces, par la main, les uns sur les autres.

"Il faut empiler manuellement un petit flocon à la fois. Pour construire un appareil, peut-être que cela peut fonctionner. Pour construire 10, c'est peut-être (juste) fastidieux. Mais plus que cela est définitivement hors de portée."

Alors les Sutter, aux côtés de collègues de l'Université d'Aalto et de l'Université du Wyoming, a décidé d'essayer une tactique différente :synthétiser directement des stacks torsadés. Gérer ça, bien que, signifiait surmonter un principe fondamental de la croissance des couches minces :la tendance de chaque couche ajoutée à hériter de son orientation du cristal sous-jacent.

"Nous avons pensé que si nous pouvions d'abord faire pousser un autre cristal qui serait ensuite transformé en celui souhaité, alors peut-être ce cristal intermédiaire, plutôt que le substrat sous-jacent, pourrait dicter l'orientation du produit final, " dit Pierre.

Ils ont commencé avec un support de disulfure d'étain, un composé qui comporte deux atomes de soufre pour chaque atome d'étain et est utile comme semi-conducteur en couches. Après avoir fait croître une couche atomiquement mince de monosulfure d'étain - un atome de soufre, un étain-sur la base de disulfure d'étain, l'équipe a saturé ce monosulfure d'étain avec une vapeur de soufre.

Comme prévu, le monosulfure d'étain se transforme spontanément en disulfure d'étain. Mais parce que les cristaux de monosulfure d'étain se développent dans un réseau rectangulaire - par opposition à la configuration hexagonale du disulfure d'étain - le réseau de la deuxième couche nouvellement transformée a adopté une torsion de 30 degrés par rapport au cristal de support. Et lorsque les chercheurs ont répété le processus, la troisième couche s'inspire de la seconde, rotation de 30 degrés par rapport à celui-ci et de 60 degrés par rapport au premier.

Pour démontrer la généralisabilité de l'approche, l'équipe a réalisé le même exploit après avoir remplacé le substrat de disulfure d'étain par deux autres semi-conducteurs van der Waals, le bisulfure de molybdène et le bisulfure de tungstène.

Écart de nouvelle génération

Les hétérostructures torsadées sont particulièrement prometteuses pour modifier un aspect essentiel des semi-conducteurs atomiquement minces :leurs bandes interdites. Les électrons des semi-conducteurs possèdent chacun une certaine quantité d'énergie, dans une plage de valeurs d'énergie distinctes appelée bande de valence, lorsqu'ils ne sont pas perturbés. Lorsqu'il est excité par la chaleur ou la lumière, ces électrons sautent vers une plage de valeurs énergétiques plus élevées - la bande de conduction - qui leur permet de circuler sous forme d'électricité. L'écart entre ces deux bandes, ou bandgap, aide à dicter la façon dont les matériaux semi-conducteurs conduisent le courant électrique et absorbent ou émettent de la lumière.

"Donc, des propriétés très intéressantes peuvent émerger si vous jouez à ce jeu de torsion, " dit Pierre.

La même torsion qui pourrait informer la micro- et l'opto-électronique de prochaine génération évoque également les mosaïques de la Rome antique et de l'Islam, il a dit, créer un motif de pavage quasi-cristallin qui remplit l'espace non pas en répétant périodiquement la même unité de base, comme le font les cristaux ordinaires, mais en donnant de multiples formes complémentaires.

Bien que cette torsion représente une victoire sur la tendance de van der Waals à l'alignement, Pierre a dit, la maîtrise des hétérostructures torsadées présente encore de formidables défis.

"C'est un début, " a-t-il déclaré à propos des progrès de l'équipe. " Ce n'est pas encore pleinement satisfaisant, parce que nous ne pouvons pas, par exemple, (choisir) l'angle de torsion que nous voulons.

"Mais au moins ce n'est plus zéro degré."