Une équipe de recherche dirigée par l'UCLA a produit avec des détails sans précédent des cartes expérimentales tridimensionnelles des atomes dans un matériau dit 2-D, une matière qui n'est pas vraiment bidimensionnelle mais qui est presque plate car elle est disposée en couches extrêmement minces, pas plus de quelques atomes d'épaisseur.

Bien que les technologies basées sur les matériaux 2-D n'aient pas encore été largement utilisées dans les applications commerciales, les matériaux ont fait l'objet d'un intérêt de recherche considérable. À l'avenir, ils pourraient être la base de semi-conducteurs dans une électronique de plus en plus petite, composants informatiques quantiques, des batteries plus performantes, ou des filtres capables d'extraire l'eau douce de l'eau salée.

La promesse des matériaux 2D vient de certaines propriétés qui diffèrent de la façon dont les mêmes éléments ou composés se comportent lorsqu'ils apparaissent en plus grande quantité. Ces caractéristiques uniques sont influencées par les effets quantiques, des phénomènes se produisant à des échelles extrêmement petites qui sont fondamentalement différents de la physique classique observée à plus grande échelle. Par exemple, lorsque le carbone est disposé en une couche atomiquement mince pour former du graphène 2-D, il est plus solide que l'acier, conduit la chaleur mieux que tout autre matériau connu, et a une résistance électrique presque nulle.

Mais l'utilisation de matériaux 2D dans des applications réelles nécessiterait une meilleure compréhension de leurs propriétés, et la capacité de contrôler ces propriétés. La nouvelle étude, qui a été publié dans Matériaux naturels , pourrait être un pas en avant dans cet effort.

Les chercheurs ont montré que leurs cartes 3D de la structure atomique du matériau sont précises à l'échelle du picomètre, mesurées en millièmes de milliardième de mètre. Ils ont utilisé leurs mesures pour quantifier les défauts du matériau 2D, qui peuvent affecter leurs propriétés électroniques, ainsi que d'évaluer avec précision ces propriétés électroniques.

"Ce qui est unique dans cette recherche, c'est que nous déterminons les coordonnées d'atomes individuels en trois dimensions sans utiliser de modèles préexistants, " a déclaré l'auteur correspondant Jianwei "John" Miao, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA. "Et notre méthode peut être utilisée pour toutes sortes de matériaux 2D."

Miao est le directeur adjoint du STROBE National Science Foundation Science and Technology Center et membre du California NanoSystems Institute de l'UCLA. Son laboratoire de l'UCLA a collaboré à l'étude avec des chercheurs de l'Université Harvard, Laboratoire national d'Oak Ridge et Université Rice.

Les chercheurs ont examiné une seule couche de bisulfure de molybdène, un matériau 2D fréquemment étudié. En masse, ce composé est utilisé comme lubrifiant. En tant que matériau 2D, il possède des propriétés électroniques qui suggèrent qu'il pourrait être utilisé dans l'électronique à semi-conducteurs de nouvelle génération. Les échantillons étudiés étaient « dopés » avec des traces de rhénium, un métal qui ajoute des électrons de rechange lors du remplacement du molybdène. Ce type de dopage est souvent utilisé pour produire des composants informatiques et électroniques, car il facilite la circulation des électrons dans les dispositifs à semi-conducteurs.

Pour analyser le matériau 2D, les chercheurs ont utilisé une nouvelle technologie qu'ils ont développée basée sur la microscopie électronique à transmission à balayage, qui produit des images en mesurant les électrons diffusés transmis à travers des échantillons minces. L'équipe de Miao a mis au point une technique appelée tomographie électronique atomique à balayage, qui produit des images 3D en capturant un échantillon sous plusieurs angles lors de sa rotation.

Les scientifiques ont dû éviter un défi majeur pour produire les images :les matériaux 2D peuvent être endommagés par une trop grande exposition aux électrons. Donc pour chaque échantillon, les chercheurs ont reconstruit les images section par section, puis les ont cousues ensemble pour former une seule image 3D, ce qui leur permet d'utiliser moins de scans et donc une dose d'électrons plus faible que s'ils avaient imagé l'ensemble de l'échantillon à la fois.

Les deux échantillons mesuraient chacun 6 nanomètres sur 6 nanomètres, et chacune des plus petites sections mesurait environ 1 nanomètre sur 1 nanomètre. (Un nanomètre est un milliardième de mètre.)

Les images obtenues ont permis aux chercheurs d'inspecter la structure 3D des échantillons avec une précision de 4 picomètres dans le cas des atomes de molybdène, soit 26 fois plus petits que le diamètre d'un atome d'hydrogène. Ce niveau de précision leur a permis de mesurer les ondulations, déformation déformant la forme du matériau, et les variations de la taille des liaisons chimiques, tous les changements causés par le rhénium ajouté, marquant la mesure la plus précise jamais réalisée de ces caractéristiques dans un matériau 2D.

"Si nous supposons simplement que l'introduction du dopant est une simple substitution, nous ne nous attendrions pas à de grandes souches, " dit Xuezeng Tian, le co-premier auteur de l'article et un chercheur postdoctoral de l'UCLA. "Mais ce que nous avons observé est plus compliqué que les expériences précédentes ne l'ont montré."

Les scientifiques ont découvert que les changements les plus importants se produisaient dans la plus petite dimension du matériau 2D, sa hauteur de trois atomes. Il n'a fallu qu'un seul atome de rhénium pour introduire une telle distorsion locale.

Armé d'informations sur les coordonnées 3D du matériau, des scientifiques de Harvard dirigés par le professeur Prineha Narang ont effectué des calculs de mécanique quantique des propriétés électroniques du matériau.

"Ces expériences à l'échelle atomique nous ont donné une nouvelle perspective sur la façon dont les matériaux 2D se comportent et comment ils doivent être traités dans les calculs, et ils pourraient changer la donne pour les nouvelles technologies quantiques, " dit Narang.

Sans accès au type de mesures générées dans l'étude, de tels calculs de mécanique quantique sont traditionnellement basés sur un système de modèle théorique attendu à une température de zéro absolu.

L'étude a indiqué que les coordonnées 3-D mesurées ont conduit à des calculs plus précis des propriétés électroniques du matériau 2-D.

"Notre travail pourrait transformer les calculs de mécanique quantique en utilisant des coordonnées atomiques 3D expérimentales comme entrée directe, " a déclaré Dennis Kim, chercheur postdoctoral de l'UCLA, un co-premier auteur de l'étude. "Cette approche devrait permettre aux ingénieurs matériaux de mieux prévoir et découvrir de nouvelles propriétés physiques, propriétés chimiques et électroniques des matériaux 2D au niveau d'un seul atome."