MoS 2D2 est relié au graphène par une liaison covalente. Crédit :Patricia Bondia
Une équipe de scientifiques a "velcro" des structures 2D de MoS2 et le graphène utilisant une connexion covalente pour la première fois. Les structures 2D-2D ont été utilisées pour construire des transistors à effet de champ robustes avec une communication électronique contrôlée, une nature chimique d'interface et une distance intercouche.
La méthode la plus répandue pour la synthèse d'hétérostructures 2D-2D est la croissance directe de matériaux les uns sur les autres. Les structures 2D sont des matériaux en couches atomiquement minces qui peuvent être empilés pour construire des hétérostructures fonctionnelles. Dans de telles structures construites par dépôt atomique, les couches 2D sont faiblement liées par les interactions de van der Waals et peuvent être démontées dans certains solvants ou procédés thermiques. Le manque de maîtrise de l'interface des deux matériaux en termes de communication électronique, de nature chimique ou de distance intercouche empêche ainsi la construction de dispositifs polyvalents robustes.
Une équipe de chercheurs de l'Universidad Autónoma de Madrid et de l'IMDEA Nanociencia (Espagne) a connecté par covalence pour la première fois des couches de matériaux 2D :MoS2 et le graphène. L'équipe a utilisé les outils de la chimie de synthèse pour "coudre" plusieurs flocons de MoS2 aux dispositifs de graphène monocouche, en utilisant une molécule bifonctionnelle avec deux points d'ancrage. Les résultats, publiés dans Nature Chemistry , montrent que les propriétés électroniques finales de l'hétérostructure sont dominées par l'interface moléculaire.
La combinaison des propriétés semi-conductrices du dichalcogénure de métal de transition MoS2 avec la mobilité élevée des porteurs de graphène est particulièrement attrayante pour de multiples applications. Le groupe a construit des transistors à effet de champ pour tester les propriétés électriques de la structure. Ils ont trouvé une modification de la caractéristique grille-tension, avec un déplacement du cône de Dirac vers les tensions positives et une réduction du courant au minimum.
Cette suppression de courant dans le graphène est sans ambiguïté associée à la perturbation du sp 2 hybridation en sp 3 en raison de la formation de liaisons covalentes. Une expérience de contrôle avec MoS2 vierge suspendu au-dessus du graphène n'a montré aucun changement significatif dans l'intensité de la bande D. Fait intéressant, la mobilité des porteurs de charge est conservée après fonctionnalisation et formation de liaison covalente entre MoS2 et le graphène, étant le degré de dopage au graphène contrôlable via le degré de fonctionnalisation.
La fabrication de ces hétérostructures covalentes 2D-2D est relativement aisée. Un substrat de silicium contenant une feuille de graphène monocouche a été immergé dans une suspension de MoS2 fonctionnalisé dans l'eau à 35°C. Deux heures de fonctionnalisation ont suffi à favoriser la liaison covalente dans la plupart des spots de graphène. Pour confirmer la fonctionnalisation covalente, une spectroscopie Raman a été réalisée pour suivre la transformation de sp 2 atomes de carbone du graphène en sp 3 comme indication de la formation d'une nouvelle liaison C-C.
Pour la première fois, des chercheurs ont utilisé les outils de la chimie pour lier par covalence des matériaux 2D. Les résultats montrent la puissance de l'approche chimique pour construire MoS2 -hétérostructures de graphène au-delà de van der Waals préservant la mobilité des porteurs de graphène pour les dispositifs FET hautes performances. La connexion covalente verticale apporte un levier supplémentaire aux propriétés finales des nanodispositifs au-delà des propriétés intrinsèques des matériaux, et a le potentiel d'une homologation facile à haut débit. Les cristaux de graphène se développent mieux sous une couverture de cuivre
