Les matériaux bidimensionnels (2D) possèdent des propriétés extraordinaires. Ils sont généralement constitués de couches atomiques de quelques nanomètres d'épaisseur seulement et sont particulièrement efficaces pour conduire la chaleur et l'électricité, par exemple. Au grand étonnement de nombreux scientifiques, on a appris récemment que des matériaux 2D pouvaient également exister à base de certains oxydes métalliques. Ces oxydes présentent un grand intérêt dans des domaines tels que les applications nanoélectroniques. Une équipe de recherche germano-américaine, dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), a maintenant réussi à prédire vingt-huit représentants de cette nouvelle classe de matériaux en utilisant des méthodes basées sur les données.

Il existe une différence substantielle entre les matériaux 2D conventionnels tels que le graphène et les nouveaux matériaux qui peuvent être synthétisés à partir d'oxydes métalliques tels que l'ilménite et la chromite. Ces dernières ne forment pas d'interactions faibles - ce que l'on appelle les forces de van der Waals - dans leur structure cristalline, mais forment plutôt des liaisons ioniques plus fortes qui pointent dans toutes les directions. Pour cette raison, seules quelques expériences ont jusqu'à présent réussi à détacher de nouveaux matériaux 2D des blocs de matériaux 3D. Les résultats de l'étude peuvent maintenant conduire au succès d'autres expériences de ce type. À l'aide de méthodes théoriques, les scientifiques prédisent quels composés sont réellement intéressants pour la recherche expérimentale.

"Avec notre méthode basée sur les données, nous nous sommes appuyés sur les premières informations disponibles issues des expériences initiales. À partir de ces informations, nous avons développé des prototypes structurels, puis les avons analysés dans une énorme base de données de matériaux comme critère de filtrage", explique le responsable de l'étude, le Dr. Rico Friedrich de l'Institut HZDR de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux. "Le principal défi consistait à comprendre pourquoi ces matériaux forment si facilement des systèmes 2D avec des oxydes particuliers. À partir de ces informations, nous avons pu développer un critère de recherche généralisé valide et caractériser systématiquement les candidats identifiés en fonction de leurs propriétés."

À cette fin, les chercheurs ont principalement appliqué ce que l'on appelle la "théorie de la fonctionnelle de la densité", une méthode de calcul pratique pour les structures électroniques largement utilisée en chimie quantique et en physique de la matière condensée. Ils ont collaboré avec plusieurs centres de données allemands de haute performance pour les étapes de calcul nécessaires. Un facteur décisif a été la détermination de l'énergie d'exfoliation :celle-ci définit la quantité d'énergie qui doit être dépensée pour retirer une couche 2D de la surface d'un matériau.

Base de données de matériaux avec environ 3,5 millions d'entrées

L'étude a également utilisé la base de données de matériaux AFLOW (Automatic Flow for Materials Discovery). Il est en cours de développement depuis plus de vingt ans par le professeur Stefano Curtarolo de l'Université Duke (États-Unis), qui a également contribué en tant qu'auteur de l'étude. AFLOW est considérée comme l'une des plus grandes bases de données sur la science des matériaux et classe environ 3,5 millions de composés avec plus de 700 millions de propriétés de matériaux calculées.

Avec le logiciel associé, la base de données a finalement fourni aux chercheurs non seulement la composition chimique de vingt-huit matériaux compatibles 2D, mais leur a également permis d'étudier leurs propriétés, qui sont remarquables tant du point de vue électronique et magnétique que topologique. Selon Rico Friedrich, leurs structures de surface magnétiques spécifiques pourraient les rendre particulièrement attractifs pour les applications spintroniques, telles que le stockage de données dans les ordinateurs et les smartphones.

"Je suis certain que nous pouvons trouver d'autres matériaux 2D de ce type", déclare le physicien de Dresde, jetant un regard vers l'avenir. "Avec suffisamment de candidats, peut-être même une base de données dédiée pourrait être créée entièrement spécialisée dans cette nouvelle classe de matériaux." Les scientifiques du HZDR restent en contact étroit avec des collègues d'un centre de recherche collaboratif lié à un sujet (Sonderforschungsbereich) à la TU Dresden ainsi qu'avec le principal groupe de recherche pour la synthèse de nouveaux systèmes 2D aux États-Unis. Avec les deux partenaires, ils prévoient de poursuivre l'étude des composés les plus prometteurs. + Explorer plus loin

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