Les matériaux bidimensionnels des cristaux stratifiés de van der Waals (vdW) sont très prometteurs pour l'électronique, optoélectronique, et appareils quantiques, mais leur fabrication/fabrication a été limitée par le manque de techniques à haut débit pour exfolier des monocouches monocristallines de taille suffisante et de haute qualité. Les chercheurs de l'Université de Columbia rapportent aujourd'hui dans Science qu'ils ont inventé une nouvelle méthode - utilisant des films d'or ultraplats - pour désassembler les monocristaux vdW couche par couche en monocouches avec un rendement proche de l'unité et avec des dimensions limitées uniquement par la taille des cristaux en vrac.

Les monocouches générées à l'aide de cette technique ont la même qualité que celles créées par exfoliation classique "Scotch tape", mais sont environ un million de fois plus gros. Les monocouches peuvent être assemblées en structures artificielles macroscopiques, avec des propriétés qui ne sont pas facilement créées dans des cristaux en vrac cultivés de manière conventionnelle. Par exemple, les couches de bisulfure de molybdène peuvent être alignées les unes avec les autres de sorte que l'empilement résultant manque de symétrie miroir et, par conséquent, démontre une réponse optique fortement non linéaire, où il absorbe la lumière rouge et émet de la lumière ultraviolette, un processus connu sous le nom de génération de deuxième harmonique.

"Cette approche nous rapproche un peu plus de la production de masse de monocouches macroscopiques et de matériaux artificiels de type vrac aux propriétés contrôlables, " dit le co-PI James Hone, Wang Fong-Jen Professeur de génie mécanique à Columbia Engineering.

La découverte il y a 15 ans que des feuilles atomiques uniques de carbone – le graphène – pouvaient être facilement séparées des cristaux de graphite en vrac et étudiées comme des matériaux 2D parfaits a été récompensée par le prix Nobel de physique 2010. Depuis, des chercheurs du monde entier ont étudié les propriétés et les applications d'une grande variété de matériaux 2D, et appris à combiner ces couches en hétérostructures empilées qui sont essentiellement de nouveaux matériaux hybrides eux-mêmes. La méthode originale du scotch développée pour le graphène, qui utilise un polymère adhésif pour séparer les cristaux, est facile à mettre en œuvre mais n'est pas bien contrôlé et produit des feuilles 2D de taille limitée - généralement des dizaines de micromètres de diamètre, ou la taille d'une section transversale d'une seule mèche de cheveux.

Un défi majeur pour le terrain et la fabrication future est de savoir comment étendre ce processus à des tailles beaucoup plus grandes dans un processus déterministe qui produit des feuilles 2D à la demande. L'approche dominante pour augmenter la production de matériaux 2D a été la croissance de films minces, qui a donné de grands succès mais fait toujours face à des défis en matière de qualité des matériaux, reproductibilité, et les températures requises. D'autres groupes de recherche ont été les premiers à utiliser l'or pour exfolier de grandes feuilles 2D, mais ont utilisé des approches qui laissent les feuilles 2D sur des substrats d'or ou impliquent des étapes intermédiaires d'évaporation d'atomes d'or chauds qui endommagent les matériaux 2D.

« Dans notre étude, nous nous sommes inspirés de l'industrie des semi-conducteurs, qui fabrique les plaquettes de silicium ultrapur utilisées pour les puces informatiques en faisant croître de gros monocristaux et en les découpant en disques minces, " dit le PI Xiaoyang Zhu, Howard Family Professeur de nanosciences au département de chimie de Columbia. "Notre approche le fait à l'échelle atomique :nous commençons avec un cristal de haute pureté d'un matériau en couches et nous décollons une couche à la fois, obtenir des feuilles 2D de haute pureté qui ont les mêmes dimensions que le cristal parent."

Les chercheurs se sont inspirés de la méthode du scotch lauréat du prix Nobel et ont développé un ruban doré ultraplat au lieu du ruban polymère adhésif. La surface d'or atomiquement plate adhère fortement et uniformément à la surface cristalline d'un matériau 2D et la désassemble couche par couche. Les couches ont la même taille et la même dimension que le cristal d'origine, offrant un degré de contrôle bien au-delà de ce qui est réalisable avec du scotch.

"La méthode du ruban d'or est suffisamment douce pour que les flocons obtenus aient la même qualité que ceux fabriqués par la technique du scotch, " dit le chercheur postdoctoral Fang Liu, l'auteur principal de l'article. "Et ce qui est particulièrement excitant, c'est que nous pouvons empiler ces plaquettes atomiquement minces dans n'importe quel ordre et orientation souhaités pour générer une toute nouvelle classe de matériaux artificiels."

Les travaux ont été réalisés au Centre d'assemblage de précision des solides superstratiques et superatomiques, un centre de recherche en science et ingénierie des matériaux financé par la National Science Foundation et dirigé par Hone. Le projet de recherche a utilisé des installations partagées exploitées par la Columbia Nano Initiative.

Motivé par les récentes avancées passionnantes de la "twistronics, " l'équipe explore maintenant l'ajout d'une petite rotation entre les couches dans ces matériaux artificiels. Ce faisant, ils espèrent atteindre à une macro-échelle le contrôle remarquable sur les propriétés quantiques telles que la supraconductivité qui ont été récemment démontrées dans des flocons micrométriques. Ils travaillent également à élargir leur nouvelle technique en une méthode générale pour tous les types de matériaux en couches, et examiner l'automatisation robotique potentielle pour la fabrication et la commercialisation à grande échelle.