Une image de coalescence vide. Sur la gauche, un MET à faible grossissement de la région de joint de grain MoS2 avant la polarisation. Sur la droite, la même région après l'application d'une polarisation électrique. Comme on le voit, les vides voisins (bleus) semblent fusionner pour former des chaînes poreuses. Crédit :Université Northwestern
Une équipe de chercheurs en science des matériaux de la Northwestern University a développé une nouvelle méthode pour visualiser le mouvement dynamique des atomes dans des matériaux 2D atomiquement minces. La technique d'imagerie, qui révèle la cause sous-jacente de la défaillance des performances d'un matériau 2D largement utilisé, pourrait aider les chercheurs à développer des matériaux plus stables et fiables pour les futurs appareils portables et appareils électroniques flexibles.
Ces matériaux 2-D, tels que le graphène et le borophène, sont une classe de matériaux monocouches, matériaux cristallins avec un potentiel étendu en tant que semi-conducteurs dans des ultra-minces avancés, électronique flexible. Pourtant, en raison de leur nature mince, les matériaux sont très sensibles aux environnements extérieurs, et ont lutté pour démontrer une stabilité et une fiabilité à long terme lorsqu'elles sont utilisées dans des appareils électroniques.
"Les matériaux 2D atomiquement minces offrent le potentiel de réduire considérablement les appareils électroniques, ce qui en fait une option attrayante pour alimenter les futurs appareils électroniques portables et flexibles, " dit Vinayak Dravid, Abraham Harris Professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering.
L'étude, intitulé "Visualisation directe de la dynamique structurelle induite par le champ électrique dans les dichalcogénures de métaux de transition monocouche, " a été publié le 11 février dans la revue ACS Nano . Dravid est l'auteur correspondant sur le papier. Chris Wolverton, le professeur Jerome B. Cohen de science et génie des matériaux, également contribué à la recherche.
"Malheureusement, les appareils électroniques fonctionnent maintenant comme une sorte de « boîte noire ». Bien que les métriques de l'appareil puissent être mesurées, le mouvement d'atomes isolés dans les matériaux responsables de ces propriétés est inconnu, ce qui limite fortement les efforts d'amélioration des performances, " a ajouté Dravid, qui est directeur du Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization (NUANCE) Center. La recherche permet de dépasser cette limitation avec une nouvelle compréhension de la dynamique structurelle en jeu dans les matériaux 2D recevant une tension électrique.
S'appuyant sur une étude précédente dans laquelle les chercheurs ont utilisé une technique d'imagerie à l'échelle nanométrique pour observer les défaillances des matériaux 2D causées par la chaleur, l'équipe a utilisé une haute résolution, méthode d'imagerie à l'échelle atomique appelée microscopie électronique pour observer le mouvement des atomes dans le bisulfure de molybdène (MoS2), un matériau bien étudié utilisé à l'origine comme lubrifiant sec dans les graisses et les matériaux de friction qui a récemment suscité un intérêt pour ses propriétés électroniques et optiques. Lorsque les chercheurs ont appliqué un courant électrique au matériau, ils ont observé ses atomes de soufre très mobiles se déplacer en continu vers des zones vacantes dans le matériau cristallin, un phénomène qu'ils ont surnommé, "Danse atomique."
Ce mouvement, à son tour, a causé la séparation des joints de grains du MoS2, un défaut naturel créé dans l'espace où deux cristallites du matériau se rencontrent, formant des canaux étroits pour le passage du courant.
« Au fur et à mesure que ces joints de grains se séparent, il ne vous reste que quelques canaux étroits, faisant augmenter la densité du courant électrique à travers ces canaux, " dit Akshay Murthy, un doctorat étudiant dans le groupe de Dravid et l'auteur principal de l'étude. "Cela conduit à des densités de puissance plus élevées et à des températures plus élevées dans ces régions, ce qui conduit finalement à une défaillance du matériau.
"C'est puissant de pouvoir voir exactement ce qui se passe à cette échelle, " Murthy a continué. " En utilisant des techniques traditionnelles, nous pourrions appliquer un champ électrique à un échantillon et voir des changements dans le matériau, mais nous ne pouvions pas voir ce qui causait ces changements. Si vous ne connaissez pas la cause, il est difficile d'éliminer les mécanismes d'échec ou d'empêcher le comportement d'aller de l'avant."
Avec cette nouvelle façon d'étudier les matériaux 2D au niveau atomique, l'équipe pense que les chercheurs pourraient utiliser cette approche d'imagerie pour synthétiser des matériaux moins susceptibles de tomber en panne dans les appareils électroniques. Dans les dispositifs de mémoire, par exemple, les chercheurs pourraient observer comment les régions où les informations sont stockées évoluent à mesure que le courant électrique est appliqué et adapter la façon dont ces matériaux sont conçus pour de meilleures performances.
La technique pourrait également aider à améliorer une foule d'autres technologies, des transistors dans la bioélectronique aux diodes électroluminescentes (DEL) dans l'électronique grand public aux cellules photovoltaïques qui composent les panneaux solaires.
« Nous pensons que la méthodologie que nous avons développée pour surveiller le comportement des matériaux 2D dans ces conditions aidera les chercheurs à surmonter les défis actuels liés à la stabilité des appareils, " a déclaré Murthy. " Cette avancée nous rapproche un peu plus du passage de ces technologies du laboratoire au marché. "
