L'équivalent nanoscopique de l'empilement d'un jeu de cartes - superposition de matériaux de quelques atomes d'épaisseur les uns sur les autres - est devenu le passe-temps favori des scientifiques des matériaux et des ingénieurs électriciens du monde entier.

Tout comme les cartes peuvent différer selon leur couleur et leur valeur, les propriétés de ces matériaux 2D atomiquement minces peuvent également varier :électroniquement, magnétiquement, optiquement ou de bien d'autres manières. Et tout comme combiner les bonnes cartes peut donner des mains précieuses, les bonnes combinaisons de matériaux 2D peuvent donner des résultats technologiquement précieux.

Alexei Gruverman, Alex Sinitskii et leurs collègues de l'Université du Nebraska-Lincoln ont maintenant démontré qu'un matériau 2D particulier, déjà considéré comme une figure, se classe en fait comme un as dans le trou.

Ce matériau est du bisulfure de molybdène, ou MoS₂ . Aux côtés de partenaires luxembourgeois, chinois et français, les chercheurs de Husker ont montré que MoS₂ possède une propriété théorisée depuis longtemps qui pourrait aider les ordinateurs, téléphones et autres composants microélectroniques à économiser à la fois l'énergie et leurs états électriques exacts, même après avoir été éteints.

MoS₂ La promesse d'économie d'énergie et d'économie d'état de vient grâce à une propriété prisée mais rare connue sous le nom de ferroélectricité. La séparation verticale et la disposition des charges négatives et positives dans les matériaux ferroélectriques peuvent être inversées instantanément simplement en appliquant une certaine tension. Ces états alignés de manière opposée ou polarisés peuvent être lus ou stockés sous forme de 1 et de 0 de données binaires, les états restant même lorsqu'une source d'alimentation a été coupée.

Cet avantage du réglage et de l'oubli est aggravé par le fait que la tension peut inverser la polarisation et coder un 1 ou un 0 respectif, tout en consommant beaucoup moins d'énergie que les champs magnétiques souvent utilisés pour coder les données numériques. Ensemble, ces avantages ont positionné les matériaux ferroélectriques comme un acteur de premier plan dans un avenir encore plus dépendant de la microélectronique.

Des simulations fondées sur la théorie avaient suggéré que MoS₂ était juste un tel matériau. Comme avec d'autres matériaux 2D, cependant, il s'est avéré extrêmement difficile de le prouver. Mais en poussant des flocons de bisulfure de molybdène avec une aiguille nanoscopique qui excitait simultanément le matériau avec un champ électrique, l'équipe dirigée par Husker a réussi à confirmer que MoS₂ est en fait ferroélectrique. Les états polarisés du matériau ont tenu jusqu'à des semaines d'affilée, ont déclaré les chercheurs, et ont été observés avec le MoS₂ flocons posés sur l'un des nombreux autres matériaux.

"La ferroélectricité dans les matériaux bidimensionnels est, en général, un phénomène nouveau", a déclaré Sinitskii, professeur de chimie au Nebraska. "Il a été découvert assez récemment, et les exemples de systèmes bidimensionnels qui présentent une polarisation ferroélectrique sont encore très limités."

La ferroélectricité à elle seule suffirait alors à propulser le bisulfure de molybdène dans le classement des matériaux 2D. Pourtant MoS₂ présente d'autres propriétés qui plaisent aux ingénieurs chargés de construire de meilleurs appareils. Il est relativement facile à cultiver, d'abord en vrac, puis en décollant des couches atomiquement minces à l'aide de scotch. Contrairement à beaucoup de ses homologues 2D, il résiste lorsqu'il est exposé à l'air et fonctionne bien avec les matériaux riches en oxygène que l'on trouve dans de nombreux composants électroniques.

Au-delà de tout cela, c'est un matériau semi-conducteur dans la veine du silicium - le choix de longue date pour les circuits intégrés, ou micropuces - ce qui signifie que son flux de courant électrique peut être déclenché et arrêté avec un minimum d'effort. Cela définit MoS₂ à l'exception de la plupart des ferroélectriques, a déclaré Gruverman.

Dans la foulée de l'étude de l'équipe parue dans la revue npj 2D Materials and Applications , MoS₂ rejoint désormais une poignée de matériaux qui offrent une conductivité élevée mais contrôlable et une polarisation facilement commutable, ont déclaré les chercheurs.

"Il y a toujours eu cet effort pour combiner les propriétés semi-conductrices et ferroélectriques dans un seul matériau, car cela en ferait un matériau très puissant - un Saint Graal, si vous voulez - pour l'industrie des semi-conducteurs", a déclaré Gruverman, professeur de physique et de physique à l'Université Charles Mach. astronomie.

'La structure que nous avons observée était clairement sans précédent'

Les atomes d'un matériau peuvent prendre différentes configurations qui génèrent différentes propriétés. L'exemple le plus célèbre de ce phénomène pourrait être le carbone, qui peut aller d'un morceau de charbon noir mou à un diamant transparent presque indestructible.

Le bisulfure de molybdène, qui consiste en un atome de molybdène pour deux soufres, ne fait pas exception. Dans son état le plus stable, connu sous le nom de 2H, le matériau agit comme un semi-conducteur mais manque en fait de ferroélectricité. Mais pousser le MoS₂ avec un minuscule point déplacé certains des atomes de soufre vers le haut, l'équipe a découvert, modifiant les distances entre ces atomes et le molybdène. Cela, à son tour, a modifié la distribution des nuages ​​d'électrons des atomes, transformant finalement le 2H semi-conducteur en une phase ferroélectrique plus conductrice connue sous le nom de 1T."

Pour changer la polarisation de MoS₂ , les chercheurs ont exploité ce que l'on appelle l'effet flexo-électrique :une modification du comportement électrique d'un matériau lorsqu'il commence à se déformer sous l'effet d'une contrainte mécanique. Depuis plus d'un demi-siècle, les physiciens savent que plus la contrainte est variable, c'est-à-dire plus les disparités dans la façon dont les différentes zones d'un matériau se déforment sous contrainte sont importantes, plus la polarisation électrique sera prononcée. Les matériaux plus épais ont tendance à subir des contraintes assez uniformes, a déclaré Gruverman, ce qui entraîne une polarisation et une utilité limitées pour le codage des données binaires.

Un matériau 2D tel que MoS₂ -surtout un piquée avec la plus fine des pointes fines-est une perspective très différente, produisant une énorme disparité dans les souches et, par conséquent, un effet flexo-électrique massif.

"Dans des matériaux aussi fins que le MoS₂ , cet effet flexo-électrique est très profond", a déclaré Gruverman. "Ce qui est important, c'est que cette approche puisse être utilisée comme un outil très efficace pour contrôler les états de polarisation dans les ferroélectriques.

"Maintenant, nous avons démontré qu'en plus du champ électrique, nous pouvons utiliser la contrainte mécanique comme moyen de contrôler ou d'ajuster les propriétés électroniques de ces hétérostructures."

L'équipe a également découvert une surprise qui pourrait fonctionner dans MoS₂ la faveur. Bien que les flocons fabriqués par Sinitskii et ses collègues soient pratiquement intacts, l'équipe a parfois rencontré des signaux de polarisation nettement plus faibles que prévu. Curieux, Sinitskii a eu l'idée de retourner les flocons et de mesurer à nouveau les signaux, dans l'espoir de glaner des informations sur la troisième dimension ultra-mince du matériau essentiellement 2D.

Lorsqu'ils l'ont fait, les chercheurs ont déterminé que les flocons contenaient des couches de polarisation alternées au hasard, certaines avec des charges positives en haut et des charges négatives en bas, d'autres vice versa.

"La structure que nous avons observée était clairement sans précédent, car aucune des structures ferroélectriques bidimensionnelles observées auparavant ne présentait ce type d'arrangement de domaines ferroélectriques", a déclaré Sinitskii.

L'existence de ces couches alternées au hasard impliquait une autre surprise. Dans certains cas, des accusations de même signe s'affrontent - positives à positives ou négatives à négatives - sans se repousser, comme on s'y attendrait normalement. Comment? L'équipe soupçonne que la conductivité particulièrement élevée du MoS 1T"₂ favorise le flux de charges suffisantes entre ces couches pour empêcher la répulsion. Il est possible, a déclaré Gruverman, que les courants intra-couches puissent être contrôlés en inversant la polarisation du MoS₂ flakes, offrant un autre moyen hyper-localisé d'encoder les données.

"Il est assez inhabituel d'avoir ces couches d'un matériau où la polarisation dans une couche ne se soucie pas de l'état de polarisation dans la couche adjacente", a déclaré Gruverman. "Habituellement, ce genre de configuration tête-à-tête et queue-à-queue serait très défavorable. Pourtant, il semble qu'ici, ces couches soient absolument insensibles à l'état de polarisation dans les couches voisines."

Mais la pleine promesse du bisulfure de molybdène ne peut se révéler, a déclaré Sinitskii, que lorsque les spécialistes des matériaux, connaissant désormais la véritable valeur du MoS₂ —parvenez à le jouer entre de bonnes mains.

"C'est un sujet très brûlant en ce moment", a déclaré Sinitskii. "Il y a beaucoup de gens qui mélangent vraiment ces différentes couches et les empilent les unes sur les autres. Maintenant, ils ont un autre type de matériau bidimensionnel qui pourrait être ajouté à ces piles et les rendre plus diversifiées, plus programmables et, éventuellement, plus utile." + Explorer plus loin

Les chercheurs obtiennent des films de bisulfure de molybdène atomiquement minces sur des substrats de grande surface