Pour réduire davantage les appareils électroniques et réduire la consommation d'énergie, l'industrie des semi-conducteurs est intéressée par l'utilisation de matériaux 2D, mais les fabricants ont besoin d'une méthode rapide et précise pour détecter les défauts de ces matériaux afin de déterminer si le matériau convient à la fabrication de l'appareil. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs a développé une technique pour caractériser rapidement et avec sensibilité les défauts dans les matériaux 2D.

Les matériaux bidimensionnels sont atomiquement minces, le plus connu étant le graphène, une couche d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome.

« Les gens ont eu du mal à fabriquer ces matériaux 2D sans défauts, " a déclaré Mauricio Terrones, Verne M. Willaman Professeur de physique, État de Penn. "C'est le but ultime. Nous voulons avoir un matériau 2D sur une plaquette de quatre pouces avec au moins un nombre de défauts acceptable, mais vous voulez l'évaluer rapidement."

Les chercheurs'—qui représentent Penn State, Université du Nord-Est, Rice University et Universidade Federal de Minas Gerais au Brésil - la solution consiste à utiliser la lumière laser combinée à la génération de deuxième harmonique, un phénomène dans lequel la fréquence de la lumière projetée sur le matériau se reflète au double de la fréquence d'origine. Ils ajoutent une imagerie en champ sombre, une technique dans laquelle la lumière étrangère est filtrée afin que les défauts brillent. Selon les chercheurs, c'est le premier cas où l'imagerie en fond noir a été utilisée, et il fournit trois fois la luminosité de la méthode d'imagerie en champ clair standard, permettant de voir des types de défauts auparavant invisibles.

« La localisation et l'identification des défauts avec la génération de deuxième harmonique en champ clair couramment utilisée sont limitées en raison des effets d'interférence entre les différents grains de matériaux 2D, " dit Léandro Mallard, un auteur principal sur un article récent dans Lettres nano et professeur à l'Universidade Federal de Minas Gerais. "Dans ce travail, nous avons montré qu'en utilisant le SHG à fond noir, nous supprimons les effets d'interférence et révélons les joints de grains et les bords des matériaux semi-conducteurs 2-D. Une telle nouvelle technique a une bonne résolution spatiale et peut imager des échantillons de grande surface qui pourraient être utilisé pour contrôler la qualité du matériau produit à l'échelle industrielle."

Vincent H. Crespi, Professeur émérite de physique, Science et génie des matériaux, et Chimie, État de Penn, ajoutée, "Les cristaux sont faits d'atomes, et donc les défauts dans les cristaux - où les atomes sont égarés - sont également de taille atomique.

"D'habitude, puissant, des sondes expérimentales coûteuses et lentes qui font de la microscopie à l'aide de faisceaux d'électrons sont nécessaires pour discerner des détails aussi fins dans un matériau, " dit Crespi. " Tiens, nous utilisons une méthode optique rapide et accessible qui extrait uniquement le signal qui provient du défaut lui-même pour découvrir rapidement et de manière fiable comment les matériaux 2D sont cousus ensemble à partir de grains orientés de différentes manières. »

Un autre coauteur a comparé la technique à la recherche d'un zéro particulier sur une page pleine de zéros.

« Dans le champ obscur, tous les zéros sont rendus invisibles pour que seul le zéro défectueux ressorte, " dit Yuanxi Wang, professeur adjoint de recherche au Materials Research Institute de Penn State.

L'industrie des semi-conducteurs veut avoir la capacité de vérifier les défauts sur la ligne de production, mais les matériaux 2-D seront probablement utilisés dans les capteurs avant d'être utilisés dans l'électronique, selon Terrones. Parce que les matériaux 2D sont flexibles et peuvent être incorporés dans de très petits espaces, ils sont de bons candidats pour plusieurs capteurs dans une montre intelligente ou un smartphone et la myriade d'autres endroits où petits, des capteurs flexibles sont nécessaires.

"La prochaine étape serait une amélioration de la configuration expérimentale pour cartographier les défauts de dimension zéro - les lacunes atomiques par exemple - et également l'étendre à d'autres matériaux 2D qui hébergent différentes propriétés électroniques et structurelles, " a déclaré l'auteur principal Bruno Carvalho, un ancien chercheur invité dans le groupe de Terrones,