Les alliages semi-conducteurs 2-D pourraient être essentiels pour surmonter les limitations techniques de l'électronique moderne. Bien que les alliages 2-D Si-Ge auraient des propriétés intéressantes à cet effet, ils n'ont été prédits que théoriquement. Maintenant, des scientifiques du Japan Advanced Institute of Science and Technology ont réalisé la première démonstration expérimentale. Ils ont également montré que le rapport Si sur Ge peut être ajusté pour affiner les propriétés électroniques des alliages, ouvrant la voie à de nouvelles applications.

Les alliages - des matériaux composés d'une combinaison de différents éléments ou composés - ont joué un rôle crucial dans le développement technologique de l'homme depuis l'âge du bronze. Aujourd'hui, l'alliage de matériaux avec des structures similaires et des éléments compatibles est essentiel car cela nous permet d'affiner les propriétés de l'alliage final pour répondre à nos besoins.

La polyvalence offerte par l'alliage s'étend naturellement au domaine de l'électronique. Les alliages de semi-conducteurs sont un domaine de recherche active car de nouveaux matériaux seront nécessaires pour reconcevoir les éléments constitutifs des dispositifs électroniques (transistors); à cet égard, les alliages semi-conducteurs bidimensionnels (2D) sont considérés comme une option prometteuse pour dépasser les limites techniques de l'électronique moderne. Malheureusement, graphène, l'enfant d'affiche à base de carbone pour les matériaux 2D, ne se prête pas facilement à l'alliage, ce qui le laisse hors de l'équation.

Cependant, il existe une alternative intéressante :le silicène. Ce matériau est entièrement composé d'atomes de silicium (Si) disposés dans une structure en nid d'abeille 2-D rappelant le graphène. Si les propriétés du silicène pouvaient être ajustées selon les besoins, le domaine de la nanoélectronique à base de silicium 2-D prendrait son envol. Bien que l'alliage de silicène avec du germanium (Ge) ait été théoriquement prédit pour donner des structures 2-D stables avec des propriétés accordables par le rapport Si sur Ge, cela n'a jamais été réalisé dans la pratique.

Maintenant, une équipe de scientifiques du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) a démontré expérimentalement une nouvelle façon de faire croître une couche de silice et de remplacer de manière stable une partie de ses atomes par du Ge, leur permettant d'affiner certaines de ses propriétés électriques.

Leur étude est publiée dans Documents d'examen physique .

D'abord, les scientifiques ont fait pousser une seule couche de silicène 2-D sur un film mince de diborure de zirconium (ZrB2) développé sur un substrat de silicium par la ségrégation de surface d'atomes de Si qui cristallisent dans une structure en nid d'abeille 2-D. Cependant, cette couche de silice n'était pas parfaitement plane; un sixième de tous les atomes de Si étaient un peu plus élevés que les autres, formant des bosses périodiques ou des « protubérances ».

Puis, Des atomes de Ge ont été déposés sur la couche de silicène dans des conditions de vide ultra poussé. De façon intéressante, les calculs théoriques et les observations expérimentales par microscopie et spectroscopie ont révélé que les atomes de Ge ne pouvaient remplacer que les atomes de Si en saillie. En ajustant le nombre d'atomes de Ge déposés, un alliage Si-Ge avec un rapport Si sur Ge souhaité pourrait être produit. La composition du matériau final serait donc Si6−xGex, où x peut être n'importe quel nombre entre 0 et 1.

L'équipe a ensuite étudié les effets de ce rapport Si sur Ge ajustable sur les propriétés électroniques de l'alliage Si-Ge. Ils ont découvert que sa structure de bande électronique, l'une des caractéristiques les plus importantes d'un semi-conducteur, pourrait être ajusté dans une plage spécifique en manipulant la composition du matériau. Enthousiasmé par les résultats, Maître de Conférences Antoine Fleurence de JAIST, auteur principal de l'étude, remarques, "Le silicium et le germanium sont des éléments couramment utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs, et nous avons montré qu'il est possible de concevoir la structure de bande des alliages Si-Ge 2-D d'une manière qui rappelle celle des alliages Si-Ge en vrac (3-D) utilisés dans diverses applications. »

Les implications de cette étude sont importantes pour de multiples raisons. D'abord, la finesse et la flexibilité ultimes des matériaux 2D sont attrayantes pour de nombreuses applications car cela signifie qu'elles pourraient être plus facilement intégrées dans les appareils de la vie quotidienne. Seconde, les résultats pourraient ouvrir la voie à une percée dans l'électronique. Co-auteur de l'étude, Professeur Yukiko Yamada-Takamura de JAIST, explique, "Les matériaux semi-conducteurs 2-D faits de silicium et de germanium avec une épaisseur atomiquement précise pourraient encore réduire les dimensions des briques élémentaires des appareils électroniques. Cela représenterait une étape technologique pour les nanotechnologies à base de silicium."

Globalement, cette étude ne présente que quelques-uns des avantages de l'alliage comme moyen de produire des matériaux avec des propriétés plus souhaitables que ceux fabriqués à partir d'un seul élément ou composé. Espérons que les alliages semi-conducteurs 2-D soient encore affinés afin qu'ils puissent être mis en lumière dans les appareils électroniques de nouvelle génération.