Que ce soit dans les smartphones, téléviseurs ou technologie du bâtiment, les semi-conducteurs jouent un rôle central dans l'électronique et donc dans notre vie quotidienne. Contrairement aux métaux, il est possible d'ajuster leur conductivité électrique en appliquant une tension et donc d'activer et de désactiver le passage du courant.

Dans la perspective de futures applications en électronique et en technologie quantique, les chercheurs se concentrent sur le développement de nouveaux composants constitués d'une seule couche (monocouche) d'un matériau semi-conducteur. Certains matériaux naturels aux propriétés semi-conductrices présentent des monocouches de ce type, empilés pour former un cristal tridimensionnel. Dans le laboratoire, les chercheurs peuvent séparer ces couches, qui ne sont pas plus épaisses qu'une seule molécule, et les utiliser pour construire des composants électroniques.

Nouvelles propriétés et phénomènes

Ces semi-conducteurs ultrafins promettent de fournir des caractéristiques uniques qui sont autrement très difficiles à contrôler, comme l'utilisation de champs électriques pour influencer les moments magnétiques des électrons. En outre, des phénomènes de mécanique quantique complexes ont lieu dans ces monocouches semi-conductrices qui peuvent avoir des applications en technologie quantique.

Des scientifiques du monde entier étudient comment ces semi-conducteurs minces peuvent être empilés pour former de nouveaux matériaux synthétiques, connues sous le nom d'hétérostructures de van der Waals. Cependant, jusqu'à maintenant, ils n'ont pas réussi à combiner une telle monocouche avec des contacts supraconducteurs pour approfondir les propriétés et particularités des nouveaux matériaux.

Contacts supraconducteurs

Une équipe de physiciens, dirigé par le Dr Andreas Baumgartner dans le groupe de recherche du professeur Christian Schönenberger à l'Institut suisse des nanosciences et au Département de physique de l'Université de Bâle, a maintenant équipé pour la première fois une monocouche de bisulfure de molybdène semi-conducteur de contacts supraconducteurs.

La raison pour laquelle cette combinaison de semi-conducteur et de supraconducteur est si intéressante est que les experts s'attendent à ce que les composants de ce type présentent de nouvelles propriétés et de nouveaux phénomènes physiques. « Dans un supraconducteur, les électrons se mettent en paires, comme des partenaires dans une danse - avec des conséquences étranges et merveilleuses, comme le passage du courant électrique sans résistance, " explique Baumgartner, le chef de projet de l'étude. "Dans le disulfure de molybdène semi-conducteur, d'autre part, les électrons exécutent une danse complètement différente, une étrange routine solo qui intègre également leurs moments magnétiques. Maintenant, nous aimerions découvrir sur quelles danses nouvelles et exotiques les électrons s'accordent si nous combinons ces matériaux."

Convient pour une utilisation comme plate-forme

Les mesures électriques aux basses températures requises pour la supraconductivité – juste au-dessus du zéro absolu (-273,15 degrés Celsius) – montrent clairement les effets causés par le supraconducteur; par exemple, à certaines énergies, les électrons isolés ne sont plus autorisés. De plus, les chercheurs ont trouvé des indications d'un fort couplage entre la couche semi-conductrice et le supraconducteur.

"Le couplage fort est un élément clé dans les phénomènes physiques nouveaux et passionnants que nous nous attendons à voir dans de telles hétérostructures de van der Waals, mais n'ont jamais pu démontrer, " dit Mehdi Ramezani, auteur principal de l'étude.

"Et, bien sûr, nous espérons toujours de nouvelles applications en électronique et en technologie quantique, " dit Baumgartner. " En principe, les contacts verticaux que nous avons développés pour les couches semi-conductrices peuvent être appliqués à un grand nombre de semi-conducteurs. Nos mesures montrent que ces composants semi-conducteurs hybrides monocouches sont en effet possibles, peut-être même avec d'autres, des matériaux de contact plus exotiques qui ouvriraient la voie à de nouvelles perspectives, " il ajoute.

Processus de fabrication élaboré

La fabrication du nouveau composant dans un type de sandwich fait de différents matériaux nécessite un grand nombre d'étapes différentes. A chaque étape, il est important d'éviter les contaminations, car ils nuisent gravement au transport des charges électriques.

Pour protéger le semi-conducteur, les chercheurs emballent une monocouche de bisulfure de molybdène entre deux fines couches de nitrure de bore, à travers lesquels ils ont préalablement gravé les contacts verticalement par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique. Ils déposent ensuite une fine couche de molybdène rhénium comme matériau de contact, un matériau qui conserve ses propriétés supraconductrices même en présence de champs magnétiques puissants.

Travail sous atmosphère protectrice d'azote dans une boîte à gants, les chercheurs empilent la couche de nitrure de bore sur la couche de bisulfure de molybdène et combinent la face inférieure avec une autre couche de nitrure de bore ainsi qu'une couche de graphène pour le contrôle électrique. Les chercheurs placent ensuite cette hétérostructure élaborée de van der Waals sur une plaquette de silicium/dioxyde de silicium.