Une nouvelle méthode conçoit des nanomatériaux avec une précision inférieure à 10 nanomètres. Cela pourrait ouvrir la voie à plus rapide, électronique plus économe en énergie.

Les chercheurs du DTU et de Graphene Flagship ont fait passer l'art de la structuration des nanomatériaux à un niveau supérieur. La structuration précise des matériaux 2D est une voie de calcul et de stockage à l'aide de matériaux 2D, qui peut offrir de meilleures performances et une consommation d'énergie beaucoup plus faible que la technologie actuelle.

L'une des découvertes récentes les plus importantes en physique et en technologie des matériaux concerne les matériaux bidimensionnels tels que le graphène. Le graphène est plus fort, plus lisse, briquet, et mieux à conduire la chaleur et l'électricité que tout autre matériau connu.

Leur caractéristique la plus unique est peut-être leur programmabilité. En créant des motifs délicats dans ces matières, nous pouvons changer radicalement leurs propriétés et fabriquer précisément ce dont nous avons besoin.

Au DTU, les scientifiques ont travaillé sur l'amélioration de l'état de l'art pendant plus d'une décennie dans la modélisation des matériaux 2D, à l'aide de machines de lithographie sophistiquées dans le 1500 m ² installation de salle blanche. Leurs travaux sont basés au Centre pour le graphène nanostructuré du DTU, soutenu par la Fondation nationale pour la recherche danoise et une partie de The Graphene Flagship.

Le système de lithographie par faisceau d'électrons du DTU Nanolab peut écrire des détails jusqu'à 10 nanomètres. Les calculs informatiques peuvent prédire exactement la forme et la taille des motifs dans le graphène pour créer de nouveaux types d'électronique. Ils peuvent exploiter la charge de l'électron et des propriétés quantiques telles que les degrés de liberté de spin ou de vallée, conduisant à des calculs à grande vitesse avec beaucoup moins de consommation d'énergie. Ces calculs, cependant, demandez une résolution plus élevée que même les meilleurs systèmes de lithographie peuvent offrir :une résolution atomique.

"Si nous voulons vraiment déverrouiller le coffre au trésor pour l'électronique quantique future, il faut descendre en dessous de 10 nanomètres et approcher l'échelle atomique, " déclare professeur et chef de groupe au DTU Physique, Peter Baggild.

Et c'est exactement ce que les chercheurs ont réussi à faire.

"Nous avons montré en 2019 que des trous circulaires placés avec un espacement de seulement 12 nanomètres transforment le graphène semi-métallique en un semi-conducteur. Maintenant, nous savons comment créer des trous circulaires et d'autres formes telles que des triangles, avec des angles aigus nanométriques. De tels modèles peuvent trier les électrons en fonction de leur spin et créer des composants essentiels pour la spintronique ou la valleytronics. La technique fonctionne également sur d'autres matériaux 2D. Avec ces très petites structures, nous pouvons créer des métalenses très compacts et réglables électriquement pour être utilisés dans les communications à haut débit et la biotechnologie, " explique Peter Bøggild.

Triangle acéré comme un rasoir

La recherche a été dirigée par la postdoctorante Lene Gammelgaard, Ingénieur diplômé du DTU en 2013 qui a depuis joué un rôle essentiel dans l'exploration expérimentale des matériaux 2D au DTU :

"L'astuce consiste à placer le nanomatériau hexagonal de nitrure de bore sur le matériau que vous souhaitez modeler. Ensuite, vous percez des trous avec une recette de gravure particulière, " dit Lene Gammelgaard, et continue :

"Le processus de gravure que nous avons développé au cours des dernières années a réduit la taille des motifs en dessous de la limite incassable de nos systèmes de lithographie par faisceau d'électrons d'environ 10 nanomètres. Supposons que nous fassions un trou circulaire d'un diamètre de 20 nanomètres ; le trou dans le graphène peut alors être réduit à 10 nanomètres.Alors que si nous faisons un trou triangulaire, avec les trous ronds provenant du système de lithographie, la réduction des effectifs fera un triangle plus petit avec des coins auto-affûtés. D'habitude, les motifs deviennent plus imparfaits lorsque vous les réduisez. C'est le contraire, et cela nous permet de recréer les structures que les prédictions théoriques nous disent optimales."

On peut, par exemple., produire des méta-lentilles électroniques plates - une sorte de lentille optique super compacte qui peut être contrôlée électriquement à très hautes fréquences, et qui, selon Lene Gammelgaard, peuvent devenir des composants essentiels de la technologie de communication et de la biotechnologie du futur.

Pousser les limites

L'autre personne clé est un jeune étudiant, Dorte Danielsen. Elle s'est intéressée à la nanophysique après un stage de CM2 en 2012, a remporté une place dans la finale d'un concours national de sciences pour les élèves du secondaire en 2014, et a poursuivi des études en physique et en nanotechnologie dans le cadre du programme de spécialisation du DTU pour les étudiants d'élite.

Elle explique que le mécanisme derrière les structures de « super-résolution » n'est toujours pas bien compris :

"Nous avons plusieurs explications possibles à ce comportement de gravure inattendu, mais il y a encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas. Toujours, c'est une technique passionnante et très utile pour nous. À la fois, c'est une bonne nouvelle pour les milliers de chercheurs du monde entier qui repoussent les limites de la nanoélectronique et de la nanophotonique 2D."

Soutenu par le Fonds de recherche indépendant Danemark, au sein du projet METATUNE, Dorte Danielsen poursuivra ses travaux sur les nanostructures extrêmement pointues. Ici, la technologie qu'elle a contribué à développer, sera utilisé pour créer et explorer des métalenses optiques qui peuvent être réglées électriquement.