Les nouveaux matériaux 2D ont le potentiel de transformer les technologies, avec des applications allant des cellules solaires aux smartphones et à l'électronique portable, explique Can Ataca de l'UMBC, professeur adjoint de physique. Ces matériaux sont constitués d'une seule couche d'atomes liés ensemble dans une structure cristalline. En réalité, ils sont si fins qu'une pile de 10 millions d'entre eux n'aurait qu'un millimètre d'épaisseur. Et parfois, Ataca dit, moins est plus. Certains matériaux 2D sont plus efficaces et efficients que des matériaux similaires beaucoup plus épais.

Malgré leurs avantages, cependant, Les matériaux 2-D sont actuellement difficiles et coûteux à fabriquer. Cela signifie que les scientifiques qui essaient de les créer doivent faire des choix judicieux sur la façon dont ils investissent leur temps, énergie, et des fonds en développement.

Nouvelle recherche de Daniel Wines, doctorat candidat en physique, et Ataca donne à ces scientifiques les informations dont ils ont besoin pour poursuivre des recherches à fort impact dans ce domaine. Leurs travaux théoriques fournissent des informations fiables sur les nouveaux matériaux qui pourraient avoir des propriétés souhaitables pour une gamme d'applications et pourraient exister sous une forme stable dans la nature. Dans un article récent publié dans ACS Matériaux Appliqués et Interfaces, ils ont utilisé des techniques de modélisation informatique de pointe pour prédire les propriétés des matériaux 2D qui n'ont pas encore été fabriqués dans la vie réelle.

"Nous essayons généralement de rester cinq ans environ en avance sur les expérimentateurs, " dit Wines. De cette façon, ils peuvent éviter de tomber dans des impasses coûteuses. "C'est l'heure, effort, et de l'argent qu'ils peuvent se concentrer sur d'autres choses."

Le mélange parfait

Le nouvel article se concentre sur la stabilité et les propriétés des matériaux 2-D appelés nitrures du groupe III. Ce sont des mélanges d'azote et d'un élément du groupe III du tableau périodique, qui comprend l'aluminium, gallium, indium, et le bore.

Les scientifiques ont déjà fabriqué certains de ces matériaux 2D en petites quantités. Au lieu de regarder des mélanges d'un des éléments du groupe III avec de l'azote, cependant, Vins et alliages modélisés d'Ataca - mélanges comprenant de l'azote et deux éléments différents du groupe III. Par exemple, ils ont prédit les propriétés des matériaux composés principalement d'aluminium, mais avec un peu de gallium ajouté, ou majoritairement du gallium, mais avec un peu d'indium ajouté.

Ces matériaux « intermédiaires » pourraient avoir des propriétés intermédiaires qui pourraient être utiles dans certaines applications. "En faisant cet alliage, nous pouvons dire, j'ai une lumière orange, mais j'ai des matériaux qui peuvent absorber la lumière rouge et la lumière jaune, " Ataca dit. " Alors, comment puis-je mélanger cela pour qu'il puisse absorber la lumière orange ? " Le réglage des capacités d'absorption de la lumière de ces matériaux pourrait améliorer l'efficacité des systèmes d'énergie solaire, par exemple.

Alliages du futur

Ataca et Wines se sont également penchés sur les propriétés électriques et thermoélectriques des matériaux. Un matériau a une capacité thermoélectrique s'il peut générer de l'électricité lorsqu'un côté est froid et l'autre chaud. Les nitrures basiques du groupe III ont des propriétés thermoélectriques, "mais à certaines concentrations, les propriétés thermoélectriques des alliages sont meilleures que les nitrures basiques du groupe III, ", dit Ataca.

Vins ajoute, "C'est la principale motivation de faire de l'alliage—l'accordabilité des propriétés."

Ils ont également montré que tous les alliages ne seraient pas stables dans la vie réelle. Par exemple, les mélanges d'aluminium et de bore à n'importe quelle concentration n'étaient pas stables. Cependant, cinq rapports différents de mélanges gallium-aluminium étaient stables.

Une fois que la production des nitrures de base du groupe III devient plus fiable et augmente, Wines et Ataca attendent des scientifiques qu'ils travaillent à l'ingénierie des matériaux pour des applications spécifiques en utilisant leurs résultats comme guide.

Retour aux sources... avec les supercalculateurs

Wines et Ataca ont modélisé les propriétés des matériaux à l'aide de supercalculateurs. Plutôt que d'utiliser des données expérimentales comme données d'entrée pour leurs modèles, "Nous utilisons les bases de la mécanique quantique pour créer ces propriétés. Donc, la bonne partie est que nous n'avons pas de biais expérimentaux, " Ataca dit. "Nous travaillons sur des choses qui n'ont aucune preuve expérimentale auparavant. C'est donc une approche fiable."

Obtenir les résultats les plus précis nécessite d'énormes quantités de puissance de calcul et prend beaucoup de temps. L'exécution de leurs modèles au niveau de précision le plus élevé peut prendre plusieurs jours.

"C'est un peu comme raconter une histoire, " Wines dit. " Nous passons par le niveau le plus élémentaire pour tamiser les matériaux, " ce qui ne prend qu'une heure environ. " Et puis nous passons aux plus hauts niveaux de précision, en utilisant les ordinateurs les plus puissants, pour trouver les paramètres les plus précis possibles."

"Je pense que la belle partie de ces études est que nous avons commencé à la base et nous sommes littéralement montés au niveau le plus précis dans notre domaine, " ajoute Ataca. "Mais on peut toujours en demander plus."

Une nouvelle frontière

Ils ont continué à avancer dans un territoire scientifique inexploré. Dans un autre papier, publié dans la semaine suivant la première Matériaux et interfaces appliqués ACS , Théodosie Gougousi, professeur de physique; Jaron Kropp, doctorat '20, la physique; et Ataca a démontré un moyen d'intégrer des matériaux 2D dans des appareils réels.

Les matériaux 2D doivent souvent être attachés à un circuit électronique dans un appareil. Une couche intermédiaire est nécessaire pour établir cette connexion, et l'équipe en a trouvé une qui fonctionne. "Nous avons une molécule qui peut faire cela, qui peut faire un lien avec le matériau, afin de l'utiliser pour des applications de circuits externes, ", dit Ataca.

Ce résultat est important pour la mise en œuvre de matériaux 2D. "Ce travail combine une recherche expérimentale fondamentale sur les processus qui se produisent à la surface des cristaux atomiques 2D avec une évaluation informatique détaillée du système, " dit Gougousi. " Il fournit des conseils à la communauté des appareils afin qu'ils puissent intégrer avec succès de nouveaux matériaux dans les architectures d'appareils traditionnelles. "

Collaboration interdisciplinaire

Les analyses théoriques de ce travail ont eu lieu dans le laboratoire d'Ataca, et les expériences ont eu lieu dans le laboratoire de Gougousi. Kropp a travaillé dans les deux groupes.

« Le projet illustre la synergie nécessaire au développement et à l'avancement de la science et de la technologie, " dit Gougousi. " C'est aussi un bel exemple des opportunités qu'ont nos étudiants diplômés de travailler sur des problèmes d'un grand intérêt technologique, et développer une large base de connaissances et un ensemble unique de compétences techniques."

Kropp, qui est le premier auteur sur le deuxième article, est ravi d'avoir eu cette expérience de recherche.

« Les semi-conducteurs 2D sont passionnants car ils ont le potentiel pour des applications dans des appareils électroniques non traditionnels, comme l'électronique portable ou flexible, puisqu'ils sont si minces, " dit-il. " J'ai eu la chance d'avoir deux excellents conseillers, car cela m'a permis de combiner le travail expérimental et théorique de manière transparente. J'espère que les résultats de ce travail pourront aider d'autres chercheurs à développer de nouveaux dispositifs basés sur des matériaux 2D."