Les scientifiques explorent de nouvelles façons d'empiler artificiellement des matériaux bidimensionnels (2D), en introduisant des matériaux dits 2,5D aux propriétés physiques uniques. Des chercheurs japonais ont passé en revue les dernières avancées et applications des matériaux 2.5D dans la revue Science and Technology of Advanced Materials .

"Le concept 2.5D symbolise la liberté par rapport à la composition, aux matériaux, aux angles et à l'espace généralement utilisés dans la recherche sur les matériaux 2D", explique Hiroki Ago, scientifique spécialisé dans les nanomatériaux et auteur principal de l'université de Kyushu au Japon.

Les matériaux 2D, comme le graphène, sont constitués d'une seule couche d'atomes et sont utilisés dans des applications telles que les écrans tactiles flexibles, les circuits intégrés et les capteurs.

Récemment, de nouvelles méthodes ont été introduites pour permettre d'empiler artificiellement des matériaux 2D verticalement, dans le plan ou à des angles tordus, quelles que soient leurs compositions et leurs structures. C'est grâce à la capacité de contrôler les forces de van der Waals :de faibles interactions électriques entre les atomes et les molécules, similaires à l'attraction de la poussière par un chiffon en microfibre. Il est également désormais possible d'intégrer des matériaux 2D avec d'autres matériaux dimensionnels, tels que des ions, des nanotubes et des cristaux massifs.

Une méthode courante de fabrication de matériaux 2,5D est le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), qui dépose une couche, un atome ou une molécule à la fois, sur une surface solide. Les blocs de construction couramment utilisés pour les matériaux 2.5D comprennent le graphène, le nitrure de bore hexagonal (hBN) (un composé utilisé dans les cosmétiques et l'aéronautique) et les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) (un semi-conducteur nanofeuillet).

En utilisant la méthode CVD, les chercheurs ont synthétisé de manière sélective une bicouche de graphène, la forme la plus simple d'un matériau 2,5D, en utilisant une feuille de cuivre-nickel avec une concentration de nickel relativement élevée comme catalyseur. Le nickel rend le carbone hautement soluble, ce qui donne aux chercheurs plus de contrôle sur le nombre de couches de graphène. Lorsqu'un champ électrique a été appliqué verticalement à travers la bicouche de graphène, il a ouvert une bande interdite, ce qui signifie que sa conductivité peut être activée et désactivée. C'est un phénomène qui n'est pas observé dans le graphène monocouche car il n'a pas de bande interdite et reste allumé tout le temps. En inclinant l'angle d'empilement d'un degré, les scientifiques ont découvert que le matériau devenait supraconducteur.

De même, un autre groupe au Royaume-Uni et aux États-Unis a découvert qu'une couche de graphène et de hBN entraîne l'effet Hall quantique, un phénomène de conduction impliquant un champ magnétique qui produit une différence de potentiel. D'autres ont montré que l'empilement des TMDC piège les excitons (électrons appariés avec leurs trous associés dans un état lié) dans les motifs de réseau qui se chevauchent. Cela peut conduire à des applications dans des dispositifs de stockage d'informations. De nouvelles techniques d'assemblage robotique ont également permis de construire des structures verticales plus complexes, dont une hétérostructure empilée composée de 29 couches alternées de graphène et de hBN, par exemple.

D'autres recherches ont utilisé les nanoespaces qui se forment entre les couches d'un matériau 2,5D pour insérer des molécules et des ions afin d'améliorer les propriétés électriques, magnétiques et optiques du matériau hôte.

Jusqu'à présent, par exemple, les chercheurs ont découvert que le graphène stabilise le chlorure de fer lorsqu'il est inséré entre ses couches empilées, tandis que l'insertion d'ions lithium conduit à un taux de diffusion plus rapide (la rapidité avec laquelle les molécules se propagent dans une zone) que celui du graphite, un conducteur électrique. utilisé dans les piles. Cela implique que le matériau pourrait être utilisé dans des batteries rechargeables hautes performances.

De plus, les chercheurs ont découvert que l'insertion de molécules de chlorure d'aluminium entre deux feuilles de graphène entraînait la formation de nouvelles structures cristallines complètement différentes du cristal de chlorure d'aluminium en vrac. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre pourquoi cela se produit et quelles applications cela pourrait avoir.

"Il existe de nombreuses opportunités à explorer avec ce nouveau concept 2.5D", déclare Ago.

Les applications futures des matériaux 2.5D incluent les cellules solaires, les batteries, les dispositifs flexibles, les dispositifs quantiques et les dispositifs à très faible consommation d'énergie.

Les prochaines étapes devraient intégrer l'apprentissage automatique, l'apprentissage en profondeur et l'informatique des matériaux afin de faire progresser la conception et la synthèse des matériaux 2.5D. + Explorer plus loin

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