Des scientifiques de l'Université de Bath ont franchi une étape importante dans la compréhension de l'interaction entre des couches de matériaux atomiquement minces disposés en piles. Ils espèrent que leurs recherches accéléreront la découverte de nouvelles, matériaux artificiels, menant à la conception de composants électroniques bien plus petits et plus efficaces que tout ce qui est connu aujourd'hui.

Plus petit est toujours meilleur dans le monde des circuits électroniques, mais il y a une limite à la mesure dans laquelle vous pouvez rétrécir un composant en silicium sans qu'il surchauffe et ne s'effondre, et nous sommes près de l'atteindre. Les chercheurs étudient un groupe de matériaux atomiquement minces qui peuvent être assemblés en piles. Les propriétés de tout matériau final dépendent à la fois du choix des matières premières et de l'angle sous lequel une couche est superposée.

Dr Marcin Mucha-Kruczynski qui a dirigé la recherche du Département de physique, a déclaré:"Nous avons trouvé un moyen de déterminer à quel point les atomes dans différentes couches d'un empilement sont couplés les uns aux autres, et nous avons démontré l'application de notre idée à une structure faite de couches de graphène."

La recherche de Bath, Publié dans Communication Nature , est basé sur des travaux antérieurs sur le graphène, un cristal caractérisé par de fines feuilles d'atomes de carbone disposées en nid d'abeille. En 2018, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont découvert que lorsque deux couches de graphène sont empilées puis tordues l'une par rapport à l'autre selon l'angle "magique" de 1,1°, ils produisent un matériau aux propriétés supraconductrices. C'était la première fois que des scientifiques créaient un matériau supraconducteur composé uniquement de carbone. Cependant, ces propriétés disparaissaient au moindre changement d'angle entre les deux couches de graphène.

Depuis la découverte du MIT, des scientifiques du monde entier ont tenté d'appliquer ce phénomène « d'empilement et de torsion » à d'autres matériaux ultra-minces, mettre ensemble deux ou plusieurs structures atomiquement différentes dans l'espoir de former des matériaux entièrement nouveaux avec des qualités spéciales.

"Dans la nature, vous ne pouvez pas trouver de matériaux où chaque couche atomique est différente, " a déclaré le Dr Mucha-Kruczynski. " De plus, deux matériaux ne peuvent normalement être assemblés que d'une manière spécifique car des liaisons chimiques doivent se former entre les couches. Mais pour des matériaux comme le graphène, seules les liaisons chimiques entre les atomes d'un même plan sont fortes. Les forces entre les avions - connues sous le nom d'interactions de van der Waals - sont faibles, et cela permet aux couches de matériau d'être tordues les unes par rapport aux autres."

Le défi pour les scientifiques est maintenant de faire en sorte que le processus de découverte de nouvelles, matériaux stratifiés aussi efficaces que possible. En trouvant une formule qui leur permet de prédire le résultat lorsque deux matériaux ou plus sont empilés, ils pourront considérablement rationaliser leurs recherches.

C'est dans ce domaine que le Dr Mucha-Kruczynski et ses collaborateurs de l'Université d'Oxford, L'Université de Pékin et le synchrotron ELETTRA en Italie espèrent faire la différence.

"Le nombre de combinaisons de matériaux et le nombre d'angles auxquels ils peuvent être tordus est trop grand pour être essayé en laboratoire, donc ce que nous pouvons prédire est important, " a déclaré le Dr Mucha-Kruczynski.

Les chercheurs ont montré que l'interaction entre deux couches peut être déterminée en étudiant une structure à trois couches où deux couches sont assemblées comme on peut le trouver dans la nature, tandis que le troisième est tordu. Ils ont utilisé la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire - un processus dans lequel une lumière puissante éjecte des électrons de l'échantillon afin que l'énergie et la quantité de mouvement des électrons puissent être mesurées, fournissant ainsi un aperçu des propriétés du matériau - pour déterminer à quel point deux atomes de carbone à une distance donnée l'un de l'autre sont couplés. Ils ont également démontré que leur résultat peut être utilisé pour prédire les propriétés d'autres empilements constitués des mêmes couches, même si les torsions entre les couches sont différentes.

La liste des matériaux atomiquement minces connus comme le graphène ne cesse de s'allonger. Il comprend déjà des dizaines d'entrées affichant une vaste gamme de propriétés, de l'isolation à la supraconductivité, transparence à l'activité optique, fragilité à la flexibilité. La dernière découverte fournit une méthode pour déterminer expérimentalement l'interaction entre les couches de l'un de ces matériaux. Ceci est essentiel pour prédire les propriétés d'empilements plus complexes et pour la conception efficace de nouveaux dispositifs.

Le Dr Mucha-Kruczynski pense qu'il pourrait s'écouler 10 ans avant que de nouveaux matériaux empilés et tordus trouvent une solution pratique, application quotidienne. "Il a fallu une décennie pour que le graphène passe du laboratoire à quelque chose d'utile au sens habituel du terme, donc avec une pointe d'optimisme, Je m'attends à ce qu'un calendrier similaire s'applique aux nouveaux matériaux, " il a dit.

S'appuyant sur les résultats de sa dernière étude, Le Dr Mucha-Kruczynski et son équipe se concentrent maintenant sur des empilements torsadés constitués de couches de dichalcogénures de métaux de transition (un grand groupe de matériaux comportant deux types d'atomes très différents :un métal et un chalcogène, comme le soufre). Certains de ces empilements ont montré un comportement électronique fascinant que les scientifiques ne sont pas encore en mesure d'expliquer.

"Parce que nous avons affaire à deux matériaux radicalement différents, l'étude de ces empilements est compliquée, " a expliqué le Dr Mucha-Kruczynski. " Cependant, nous espérons qu'avec le temps, nous serons en mesure de prédire les propriétés de divers empilements, et concevoir de nouveaux matériaux multifonctionnels."