Trois images de la monocouche de disulfure de tungstène (WS2) sur la gauche montrent les résultats de plusieurs techniques complémentaires de microscopie électronique à transmission qui montrent des preuves de films presque monocristallins avec des matrices de défauts aux joints de grains en translation. Le modèle de structure cristalline d'une monocouche WS2 sur la droite montre comment deux bords cristallins orientés de manière similaire se rapprochent pendant la croissance, induisant des inclinaisons hors du plan aux joints de grains. Crédit :Université d'État de Pennsylvanie
Les matériaux bidimensionnels sont essentiels pour développer de nouveaux appareils électroniques ultra-compacts, mais produire des matériaux 2D sans défaut est un défi. Cependant, la découverte de nouveaux types de défauts dans ces matériaux 2D peut donner un aperçu de la façon de créer des matériaux sans de telles imperfections, selon un groupe de chercheurs de Penn State.
"Les matériaux 2D sont de nouveaux matériaux passionnants pour l'électronique, et parce qu'ils sont si minces, ils permettent de rétracter des dispositifs à de très petites tailles, " a déclaré Danielle Reifsnyder Hickey, Penn State professeur adjoint de recherche en science et ingénierie des matériaux. « Ceci est essentiel pour rendre l'électronique plus puissante afin qu'elle puisse gérer plus de données. Cependant, C'est un énorme défi de développer des matériaux 2D parfaits sur des zones suffisamment grandes pour pouvoir créer de grands ensembles d'appareils de haute qualité. »
Reifsnyder Hickey et l'équipe de chercheurs de Penn State ont découvert de nouveaux types de défauts qui fournissent des indices sur un moyen de créer des matériaux 2D sans défaut. L'étude est parue récemment dans Lettres nano .
"Nous avons trouvé de nouveaux défauts qui sont à l'échelle d'Angstrom, au dixième de nanomètre, et nous avons pu corréler la structure atomique à de très grandes échelles, à quelques microns, " dit Nasim Alem, Penn State professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux et auteur correspondant de l'étude.
L'équipe a étudié les défauts dans les films monocouches de disulfure de tungstène cultivés par le groupe de recherche de Joan Redwing, professeur de science et génie des matériaux, État de Penn. Le disulfure de tungstène appartient à une classe de cristaux 2D connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition, qui sont des cristaux de trois atomes d'épaisseur qui ont des propriétés qui les rendent idéaux pour le développement de l'électronique future.
"Les monocouches de matériaux 2D ont des propriétés différentes de celles des cristaux en vrac, " a déclaré Reifsnyder Hickey. " Par exemple, ils ont des bandes interdites directes et peuvent donc être utilisés comme de très petits matériaux de transistor, et leur symétrie cristalline permet de nouveaux types de dispositifs basés sur des degrés de liberté accrus par rapport à leurs homologues en vrac."
Une bande interdite directe est une caractéristique idéale pour exciter un électron dans un état d'énergie conductrice pour permettre le flux d'électricité. Technologie des semi-conducteurs, par exemple, dépend de la manipulation de la charge électronique de cette manière. Récemment, Les degrés de liberté de rotation et de vallée se sont également révélés prometteurs dans les matériaux 2D et peuvent être manipulés pour permettre de nouveaux types de dispositifs. Par exemple, orienter plusieurs spins dans un matériau peut conduire au magnétisme, et la distribution d'électrons entre différents états locaux d'énergie minimale et maximale (vallées) qui possèdent la même énergie mais se produisent avec des valeurs de quantité de mouvement différentes peut permettre de nouvelles façons de traiter et de stocker l'information. Une clé pour libérer le potentiel de ces propriétés est de développer des films sans défaut, qui ne peut être atteint qu'en identifiant et en comprenant les défauts atomiques, comme cela a été réalisé dans ce travail.
Les défauts découverts par l'équipe sont connus sous le nom de joints de grains translationnels, qui se produisent à l'interface entre deux cristallites qui ont la même orientation mais un décalage de translation. Typiquement, les joints de grains relient les grains avec des orientations différentes et peuvent affecter les propriétés des matériaux telles que la conductivité thermique et électrique, diminuant leur valeur pour l'électronique. Pour étudier les joints de grains translationnels inhabituels, l'équipe a utilisé une combinaison d'imagerie par microscopie électronique à transmission à balayage et une simulation de champ de force réactive ReaxFF. ReaxFF a été développé par Adri van Duin, un professeur distingué de Penn State en génie mécanique qui a également participé à l'étude.
La recherche a révélé que les joints de grains translationnels identifiés existent sous forme d'imperfections subtiles mais généralisées dans les films monocouches.
« Par une approche synergique, nous avons pu expliquer nos résultats expérimentaux à l'aide de simulations et découvrir le mécanisme de croissance qui conduit à une telle microstructure, " dit Alem. " C'est une étape importante, parce qu'en apprenant la physique sous-jacente de la croissance et de la formation de défauts, nous pouvons apprendre à les modifier et à les contrôler, et cela aura un effet profond sur les propriétés électroniques du cristal."
Améliorer le matériau conduirait à une meilleure électronique, selon Reifsnyder Hickey.
"Cette enquête a découvert expérimentalement les structures et a utilisé la théorie et la simulation pour corréler leur formation avec les conditions de croissance, " a dit Reifsnyder Hickey. " Maintenant, nous aimerions mettre en œuvre ce que nous avons appris, de sorte que ces décalages dans les grains peuvent être éliminés pour former des films véritablement monocristallins suffisamment grands pour une excellente électronique. Nous aimerions également explorer les propriétés de ces défauts et des défauts atomiques associés. »
Pouvoir produire une électronique améliorée basée sur des films monocouches en disulfure de tungstène avec un minimum de défauts est une bonne nouvelle pour une société de plus en plus visuelle, selon Reifsnyder Hickey.
« Il y a quelques décennies, c'était du jamais vu de regarder une vidéo sur un téléphone, " dit Reifsnyder Hickey. " Mais maintenant, nous consommons beaucoup d'informations visuellement, surtout avec des vidéos, y compris les actualités, communication et divertissement. Parce que l'électronique est devenue si puissante, nous sommes capables de transporter facilement dans nos poches les appareils qui le permettent. Nos découvertes pourraient conduire à une nouvelle génération de tels dispositifs."
D'autres chercheurs de Penn State impliqués dans l'étude incluent Nadire Nayir, Mikhaïl Tchoubarov, Tanushree H. Choudhury, Saiphaneendra Bachu, Leixin Miao, Yuanxi Wang, Chenhao Qian et Vincent H. Crespi.
