Les métaux sont généralement caractérisés par une bonne conductivité électrique. Ceci s'applique en particulier à l'or et à l'argent. Cependant, des chercheurs du Max Planck Institute for Solid State Research de Stuttgart, avec des partenaires à Pise et Lund, ont maintenant découvert que certains métaux précieux perdent cette propriété s'ils sont suffisamment minces. L'extrémité d'une couche d'un seul atome d'épaisseur se comporte donc comme un semi-conducteur. Cela démontre une fois de plus que les électrons se comportent différemment dans la couche bidimensionnelle d'un matériau que dans les structures tridimensionnelles. Les nouvelles propriétés pourraient potentiellement conduire à des applications, par exemple dans la microélectronique et la technologie des capteurs.

On pourrait penser que la feuille d'or, qui n'a que 0,1 µm d'épaisseur, est en fait assez mince. Loin de là. Il peut en fait être plusieurs centaines de fois plus mince. Par exemple, l'équipe de recherche d'Ulrich Starke et de son ancien doctorant Stiven Forti ont réussi à créer une couche d'or d'un seul atome d'épaisseur. Or bidimensionnel, pour ainsi dire.

Starke est à la tête de l'Interface Analysis Facility de l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide à Stuttgart. Son équipe travaille depuis longtemps sur la frontière entre les matériaux tridimensionnels (volumineux) et bidimensionnels (plans). Les chercheurs du solide s'intéressent à cette transition car elle est associée à des modifications de certaines propriétés des matériaux. Cela a déjà été démontré dans le carbone bidimensionnel, ou graphène. Entre autres, ses électrons sont nettement plus mobiles et permettent à la conductivité électrique d'augmenter jusqu'à 30 fois celle du graphite tridimensionnel associé.

Les atomes d'or sont poussés entre le graphène et le carbure de silicium

Cependant, pour de nombreux métaux, produire des couches de matériau d'un seul atome d'épaisseur n'est pas une tâche facile. "Avec les méthodes de dépôt classiques, atomes d'or, par exemple, s'agglomérerait immédiatement en amas tridimensionnels", explique Starke. Son équipe travaille donc avec une autre méthode, l'intercalation, sur laquelle ils ont fait un travail de pionnier il y a une dizaine d'années. L'intercalation signifie littéralement glisser quelque chose entre les deux. Et c'est précisément ainsi que cela fonctionne. Les chercheurs commencent avec une plaquette de carbure de silicium. En utilisant un processus qu'ils ont développé eux-mêmes, ils convertissent d'abord sa surface en une seule couche atomique de graphène. "Si nous vaporisons de l'or sublimé sur cet arrangement de carbure de silicium-graphène dans un vide poussé, les atomes d'or migrent entre le carbure et le graphène", explique Forti. L'ancien doctorant Max Planck effectue désormais des recherches au Centre d'innovation en nanotechnologie de Pise. On ne comprend pas encore complètement comment les atomes d'or épais pénètrent dans l'espace interstitiel. Mais cela est clair :des températures plus élevées favorisent le processus.

L'équipe avait également appliqué la technique d'intercalation à d'autres éléments, dont le germanium, le cuivre, et le gadolinium. Encore, selon Forti, l'objectif principal était l'influence sur les propriétés du graphène. Dans le cas de l'or, cependant, il a été trouvé pour la première fois que les atomes intercalés se sont arrangés dans un structure bidimensionnelle périodiquement récurrente - cristalline - le long de la surface du carbure de silicium. « Si l'intercalation est réalisée à 600°C, la couche de graphène empêche les atomes d'or de s'agglomérer pour former des gouttes", dit Forti à propos de la fonction de la couche de carbone dans la structure sandwich.

Une couche d'or constituée de seulement deux couches atomiques conduit comme un métal

La préparation réussie de la couche d'or d'une épaisseur d'un atome n'était que la première étape. Ensuite, les matériaux extrêmement minces et leurs caractéristiques éventuellement spéciales sont devenus intéressants pour les chercheurs. Ils pourraient en effet montrer que la couche d'or extrêmement fine développe ses propres propriétés électroniques et semi-conductrices. Pour comparer :la conductivité électrique du volumineux (c'est-à-dire de l'or tridimensionnel) est presque aussi bonne que celle du cuivre. Parce que les considérations théoriques prédisent un caractère métallique pour l'or 2D pur, la découverte de semi-conducteurs était quelque peu surprenante. "Les interactions entre les atomes d'or et soit le carbure de silicium soit le carbone du graphène jouent évidemment encore un rôle ici. Cela influence les niveaux d'énergie des électrons", dit Starke.

Les semi-conducteurs sont des matériaux essentiels en microélectronique et dans d'autres domaines. Par exemple, des éléments de commutation électroniques tels que des diodes ou des transistors sont basés sur celui-ci. L'équipe de Starke peut envisager certaines applications typiques des semi-conducteurs pour le nouveau matériau 2D. Une deuxième couche d'atomes d'or donne à nouveau un caractère métallique et influence ainsi la conductivité électrique. "En variant la quantité d'or sublimé, nous pouvons contrôler étroitement si une ou deux couches d'or se forment", explique Forti.

Il serait donc envisageable d'utiliser des composants avec des couches d'or alternées à un ou deux atomes. La nouvelle méthode de fabrication devrait alors être combinée de manière appropriée avec les méthodes lithographiques courantes de production de puces. Par exemple, des diodes nettement plus petites que les diodes conventionnelles pourraient être produites. Selon Starke, les différents états électroniques de l'or simple et double couche pourraient également être utilisés dans des capteurs optiques.

Effets électroniques également dans la couche de graphène

Une autre idée d'application résulte des effets causés par l'or intercalé dans la couche de graphène adjacente, qui dépendent apparemment de l'épaisseur de l'or. "Une couche d'or d'un atome d'épaisseur provoque un dopage n dans le graphène. Cela signifie que nous obtenons des électrons comme porteurs de charge", dit Forti. Aux endroits où l'or a une épaisseur de deux couches atomiques, c'est exactement le contraire - le dopage p - qui se produit. Là, les électrons manquants ou les soi-disant "trous" chargés positivement agissent comme porteurs de charge. L'or améliore également l'interaction des plasmons (c'est-à-dire les fluctuations de la densité des porteurs de charge) avec le rayonnement électromagnétique. « Une structure structurée, Une disposition alternée de dopage n et p dans le graphène pourrait ainsi être utilisée. Par exemple, en tant que réseau de détecteurs hautement sensibles mais à haute résolution pour le rayonnement térahertz comme ceux utilisés dans les tests de matériaux, pour les contrôles de sécurité dans les aéroports, ou pour la transmission de données sans fil", dit Starke.

L'équipe de Starke a déjà franchi une nouvelle étape dans la production de couches de métaux précieux bidimensionnelles. Également dans une expérience d'intercalation avec de l'argent, une couche d'argent bidimensionnelle strictement cristalline formée entre le carbure de silicium et le graphène. Et en plus :même ce métal, qui est généralement un conducteur électrique encore meilleur que l'or, devient un semi-conducteur lorsqu'il est réduit à deux dimensions. Les premiers résultats indiquent que l'énergie nécessaire pour rendre la couche d'argent électriquement conductrice est probablement plus élevée que pour l'or 2-D. "Les propriétés semi-conductrices d'un composant fabriqué à partir de ce matériau pourraient donc être thermiquement plus stables que celles de l'or", dit Starke au sujet des conséquences pratiques possibles.