Le graphène est un matériau composé d'atomes de carbone d'une couche d'épaisseur, disposés dans une structure en nid d'abeille. Il a été utilisé pour rendre les matériaux plus solides, créer des composants ultra haute fréquence pour les communications, augmenter les performances de la batterie et même utilisé pour faire des tests COVID-19. C'est l'archétype du matériau bidimensionnel (2D), mais les matériaux 2D sont bien plus que le graphène.

Depuis que le graphène a été isolé pour la première fois en 2004, la recherche s'est étendue à la création d'autres, matériaux 2D sans carbone. Maintenant, il y en a plusieurs dizaines, et ils sont salués pour avoir un impact là où le graphène est moins adapté, comme dans les nouveaux transistors et les dispositifs optoélectroniques de nouvelle génération, qui génèrent, détecter et contrôler la lumière.

Notre étude récente a porté sur une nouvelle forme du matériau 2D disulfure de tungstène (WS2), qui est à la fois 2D et 3D. WS2 est un semi-conducteur, le même que le silicium, qui se trouve dans presque tous les appareils électroniques. Cependant, contrairement au silicium, WS2 peut exister sous une forme 2D stable. Nous avons arrangé le matériau WS2 d'une nouvelle manière pour créer un agencement 3D de feuilles 2D que nous appelons un nanomesh.

Le nanomesh WS2 double la fréquence et divise par deux la longueur d'onde de la lumière laser, en changeant sa couleur en même temps, avec une grande efficacité. Cela signifie qu'il pourrait être utile dans les composants pour les communications quantiques utilisant la lumière, où les tentatives d'"écoute clandestine" des messages peuvent toujours être détectées. La lumière est importante dans les communications quantiques car les particules de lumière, appelés photons, peut être utilisé pour transporter des informations. Lorsque deux photons subissent ce qu'on appelle l'intrication quantique, tout ce qui arrive à l'un d'eux est immédiatement observable dans l'autre, peu importe à quelle distance ils sont.

La communication quantique a le potentiel de fournir une communication vraiment sécurisée à travers le monde. Utilisant la propriété bizarre de l'enchevêtrement, il est possible de concevoir un système de sorte que lorsqu'un signal est intercepté, l'expéditeur le sait immédiatement.

Jusqu'à présent, bon nombre des tentatives de création de communications quantiques ont utilisé la lumière laser. Mais pour ce faire, nous avons besoin d'un moyen efficace de contrôler la lumière. Cela pourrait potentiellement être fait avec des matériaux 2D.

Confinement en deux dimensions

Dans les matériaux 2D, les électrons peuvent se déplacer dans deux dimensions mais leur mouvement dans la troisième dimension est restreint. Ce confinement confère aux matériaux 2D des propriétés intéressantes qui font qu'ils sont très prometteurs en tant que dispositifs ultra-minces pour l'informatique, communication, sentir, énergie, l'imagerie et l'informatique quantique. Pour nombre de ces applications, les matériaux 2D, qui n'ont qu'un atome d'épaisseur, reposer à plat sur une surface d'appui.

Malheureusement, cependant, la résistance de ces matériaux - qu'ils soient extrêmement minces - est aussi leur plus grande faiblesse. Cela signifie que lorsqu'ils sont allumés, la lumière visible ne peut interagir avec eux que sur une faible épaisseur et l'effet qui en résulte est faible. Pour surmonter cela, des chercheurs comme moi commencent à chercher de nouvelles façons d'emballer les matériaux 2D dans des structures 3D complexes.

Nanomesh

Mon doctorat étudiant et moi avons créé un réseau 3D palmé de piles distribuées aléatoirement, contenant des feuilles 2D tournées et fusionnées appelées nanomesh. Ses caractéristiques uniques sont le résultat du processus de synthèse spécifique que nous avons développé. Nous avons commencé par cultiver des nanotubes unidimensionnels (feuilles laminées) de WS2, comme un échafaudage. Ceux-ci sont naturellement remplis d'un matériau à partir duquel des feuilles de WS2 pourraient se développer aux extrémités des nanotubes et sur leurs côtés, tournés les uns sur les autres et déployés comme un éventail. Ces feuilles ont ensuite fusionné les unes avec les autres pour créer des feuilles 2D plus grandes se croisant en 3D pour créer le nanomesh.

À l'intérieur d'un semi-conducteur, il y a des bandes d'énergie, séparés par un fossé énergétique. Seule la lumière avec une énergie supérieure à la bande interdite peut interagir avec le matériau de manière utile. Si de nouveaux niveaux d'énergie sont introduits à l'intérieur de cet écart énergétique, le doublement de la fréquence de la lumière qui traverse le matériau est beaucoup plus efficace et peut s'effectuer sur une plus large gamme de longueurs d'onde. C'est exactement ce que notre nanomesh réalise, cela change le paysage énergétique - les bandes d'énergie, les écarts énergétiques et les niveaux d'énergie à l'intérieur de l'écart - du matériau.

Les mesures effectuées par mes collègues du groupe de photonique ont démontré que le matériau nanomesh convertit en effet efficacement une couleur laser en une autre sur une large palette de couleurs. Par rapport aux couches WS2 à plat, le nanomesh est très efficace et répond à une large gamme de longueurs d'onde lumineuses, tout en étant durable et capable d'être cultivé sur de grandes surfaces.

Notre étude est la preuve que l'assemblage de matériaux 2D dans un agencement 3D ne donne pas seulement des matériaux 2D plus épais avec lesquels la lumière interagit plus fortement, mais produit des matériaux aux propriétés entièrement nouvelles.

Le nanomesh que nous avons fabriqué est technologiquement simple à produire à grande échelle, et offre une interaction avec la lumière qui peut être réglée. Le matériau pourrait encore évoluer, par exemple en incluant de petites nanoparticules métalliques ou en déposant un second matériau. De tels hybrides offriraient des moyens supplémentaires de modifier la lumière laser qui les traverse.

Notre prochain objectif est d'intégrer le nanomesh dans des dispositifs qui transmettent et modifient la lumière et qui peuvent être intégrés à la microélectronique traditionnelle. C'est une voie pour développer des communications optiques quantiques pratiques.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.