Les chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont créé une toute nouvelle bibliothèque de matériaux bidimensionnels (2D) atomiquement minces, baptisé "ic-2-D, " pour désigner une classe de matériaux basée sur l'auto-intercalation d'atomes natifs dans l'espace entre les couches de cristaux.

Les matériaux bidimensionnels (2D) atomiquement minces offrent une excellente plate-forme pour explorer un large éventail de propriétés intrigantes dans des systèmes 2-D confinés. Cependant, le réglage de la composition des dichalcogénures de métaux de transition pour fabriquer de nouveaux matériaux autres que les composés binaires ou ternaires standard est un défi. Autrefois, les théoriciens ont essayé de prédire de nouvelles propriétés basées sur la combinaison d'atomes dans une structure cristalline où les atomes de métal et de chalcogène se trouvent dans des sites liés par covalence au sein du bloc de construction de base (cellule unitaire). Cependant, leurs théories n'abordaient pas la situation où le même atome de métal se trouve entre deux cellules unitaires (remplissant le vide de van der Waals).

Maintenant, des équipes de recherche dirigées par le Pr Kian Ping LOH du Département de Chimie, Faculté des sciences, NUS et collaborateur Prof Stephen J. PENNYCOOK du Département de science et génie des matériaux, Ecole d'ingénieurs, NOUS, ont synthétisé et caractérisé pour la première fois, un atlas de matériaux ic-2-D atomiquement minces à l'échelle d'une plaquette basé sur l'insertion des mêmes atomes métalliques entre l'espace de van der Waals des dichalcogénures de métaux de transition.

En observant la croissance dans des conditions où les atomes métalliques sont en excès par rapport aux chalcogènes (par exemple Soufre (S), sélénium (Se), Tellure (Te)), plus de 10 types différents de matériaux ic-2-D ont été découverts expérimentalement par l'équipe. Plus excitant, le ferromagnétisme a été détecté dans certaines phases. En outre, des calculs théoriques à haut débit montrent que la méthode d'auto-intercalation est applicable à une large classe de matériaux stratifiés 2D. Cela signifie qu'une nouvelle bibliothèque de matériaux ic-2-D attend d'être découverte.

Le professeur Loh a dit, "Cette nouvelle méthode d'ingénierie de la composition d'une large classe de dichalcogénures de métaux de transition, offre une approche puissante pour transformer des matériaux 2-D en couches en ultra-minces, cristaux ic-2-D liés par covalence avec des propriétés ferromagnétiques. Le principe principal est l'application d'atomes métalliques à fort potentiel chimique pour fournir la force motrice de l'intercalation pendant la croissance. Cette technique devrait être compatible avec la plupart des méthodes de croissance des matériaux."

"Si nous épissions un peu deux couches de dichalcogénure de métal de transition, nous pouvons voir les sites de chalcogène ayant des fentes comme un porte-œuf. Une autre couche d'atomes de métal peut occuper les fentes de la même manière que nous pouvons disposer les œufs dans le porte-œufs. C'est la magie des matériaux ic-2-D, " a ajouté le professeur Pennycook.

Dr ZHAO Xiaoxu, le premier auteur de l'article, découvert et dévoilé atomiquement ces nouveaux matériaux en utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage à résolution atomique, et ont constaté que les atomes métalliques intercalés occupent systématiquement les lacunes octaédriques à l'intérieur de l'espace de van der Waals, ce qui donne des motifs topographiques distincts en fonction des concentrations d'intercalation. En raison de la topologie unique, le ferromagnétisme peut être induit par le mécanisme de double échange, déclenchée par le transfert de charge du métal intercalé au métal vierge.

Le professeur Loh a commenté, "Avec une polyvalence dans le contrôle de la composition, nous avons montré qu'il est possible d'accorder, dans une classe de matériaux, propriétés qui peuvent varier de ferromagnétique à non ferromagnétique, et les treillis de Kagome frustrés par la rotation. Cette découverte présente un riche paysage de matériaux 2D ultra-minces qui attendent la découverte de nouvelles propriétés. »

Prochain, les équipes envisagent d'intégrer cette nouvelle bibliothèque de matériaux dans des dispositifs de mémoire, pour des applications pratiques, et intercaler des atomes étrangers dans le trou de van der Waals et exploiter de nouveaux matériaux ic-2-D fonctionnalisés.