Des scientifiques du Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST) ont développé une méthode pour modéliser le comportement des matériaux 2D sous pression. La recherche aidera à créer des capteurs de pression à base de silicène ou d'autres matériaux 2D. Le document a été publié dans le ACS Nano journal.

Silicène, qui est considéré comme l'analogue au silicium du graphène, est un allotrope bidimensionnel de silicium. Dans son état normal, un silicium massif est un semi-conducteur avec une structure de type cristal de diamant. Comme il s'amincit en une ou plusieurs couches, ses propriétés changent radicalement. Cependant, il n'a pas encore été possible d'étudier l'évolution des propriétés électroniques des matériaux 2D à haute pression.

Des scientifiques de Russie, Italie, les États Unis, et la Belgique ont développé une méthode de recherche théorique s'appuyant sur la chimie quantique pour étudier les propriétés électroniques des matériaux 2D sous pression en utilisant le silicène comme exemple. Contrairement au carbone, qui est stable dans les états 3D et 2D, le silicène est métastable et facile à interagir avec l'environnement.

"Le silicium est un semi-conducteur à l'état massif et un métal à l'état 2D. Les propriétés du silicène monocouche et multicouche sont largement étudiées théoriquement. Le silicium est ondulé plutôt que plat en raison des interactions entre les atomes de silicium voisins. Une augmentation de la pression devrait aplatir la silicène et modifier ses propriétés, mais cet effet ne peut pas encore être étudié expérimentalement, " explique le chercheur de Skoltech Christian Tantardini.

Dans la plupart des cas, les outils expérimentaux utilisés pour appliquer une pression sur le matériau le long de l'axe normal à son plan produisent simultanément une compression dans les directions dans le plan du matériau 2D. Ainsi, les mesures résultantes seraient difficilement exactes, donc pour le moment, la modélisation semble être la seule approche plausible.

"Dans notre cas, une nouvelle approche théorique était la seule solution. Comme la pression n'est appliquée que dans une direction, nous simulons la compression de notre matériel et essayons de comprendre quelle est la raison des changements dans la structure électronique, arrangement d'atomes de silicium et leur hybridation sous différentes pressions, et pourquoi les couches s'aplatissent, ", commente Alexander Kvashnin, chercheur principal chez Skoltech.

Une prédiction précise du comportement du silicène ou d'autres matériaux 2D sous pression ferait du silicène un candidat prometteur pour les capteurs de pression. Lorsqu'il est placé à l'intérieur du capteur, le silicène pourrait aider à déterminer la pression en fonction de la réponse du matériau à la compression. Ce type de capteurs pourrait être utilisé, par exemple, dans les plates-formes de forage avec une exigence élevée de contrôle de la pression pour augmenter la force de forage sans endommager l'équipement.

"Nous avons utilisé du silicène dans notre étude de modélisation pour tester la méthode qui pourrait également fonctionner pour d'autres matériaux 2D, y compris les plus stables qui sont déjà fabriqués et largement utilisés, à pression nulle" précise Xavier Gonze, professeur invité à Skoltech et professeur à l'Université catholique de Louvain (UCLouvain) en Belgique.