Une équipe de chercheurs du National Graphene Institute (NGI) de l'Université de Manchester et du National Physical Laboratory (NPL) a démontré que les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) 2D légèrement tordus affichent une ferroélectricité à température ambiante.

Cette caractéristique, combinée aux propriétés optiques exceptionnelles des TMD, peut être utilisée pour construire des dispositifs optoélectroniques multifonctionnels tels que des transistors et des LED avec des fonctions de mémoire intégrées à l'échelle du nanomètre.

Les ferroélectriques sont des matériaux avec deux ou plusieurs états électriquement polarisables qui peuvent être commutés de manière réversible avec l'application d'un champ électrique externe. Cette propriété matérielle est idéale pour des applications telles que la mémoire non volatile, les dispositifs à micro-ondes, les capteurs et les transistors. Jusqu'à récemment, la ferroélectricité commutable hors plan à température ambiante n'était obtenue que dans des films d'une épaisseur supérieure à 3 nanomètres.

Hétérostructures 2D

Depuis l'isolement du graphène en 2004, des chercheurs du monde universitaire ont étudié une variété de nouveaux matériaux 2D avec un large éventail de propriétés intéressantes. Ces cristaux 2D d'une finesse atomique peuvent être empilés les uns sur les autres pour créer ce que l'on appelle des hétérostructures, des matériaux artificiels aux fonctions personnalisées.

Plus récemment, une équipe de chercheurs du NGI, en collaboration avec le NPL, a démontré qu'en dessous d'un angle de torsion de 2 ^o , les réseaux atomiques se reconstruisent physiquement pour former des régions (ou domaines) de bicouches parfaitement empilées séparées par des limites de déformation localement accumulée. Pour deux monocouches empilées parallèlement l'une à l'autre, un motif en mosaïque de domaines triangulaires réfléchis par miroir est créé. Plus important encore, les deux domaines voisins ont une symétrie cristalline asymétrique, provoquant une asymétrie dans leurs propriétés électroniques.

Commutation ferroélectrique à température ambiante

Dans les travaux, publiés dans Nature Nanotechnology , l'équipe a démontré que la structure de domaine créée avec la torsion à faible angle héberge la ferroélectricité interfaciale dans les TMD bicouches. La microscopie à force de sonde Kelvin a révélé que les domaines voisins sont de polarisation opposée et les mesures de transport électrique ont démontré une commutation ferroélectrique fiable à température ambiante.

L'équipe a ensuite développé une technique de microscope électronique à balayage (SEM) avec un contraste amélioré, utilisant le signal des électrons rétrodiffusés. Cela a permis d'appliquer un champ électrique in situ pendant que l'imagerie modifie la structure du domaine de manière non invasive, fournissant des informations essentielles sur le fonctionnement du mécanisme de commutation de domaine. Les frontières séparant les domaines polarisés de manière opposée se sont dilatées et contractées en fonction du signe du champ électrique appliqué et ont conduit à une redistribution significative des états polarisés.

Ce travail démontre clairement que le degré de liberté de torsion peut permettre la création d'optoélectronique atomiquement mince avec des propriétés personnalisées et multifonctionnelles.

Large champ d'application pour les matériaux 2D sur mesure

L'auteur principal, Astrid Weston, déclare qu'"il est très excitant de pouvoir démontrer que ce simple outil de torsion peut créer de nouvelles propriétés dans les cristaux 2D. Avec la grande variété de cristaux 2D parmi lesquels choisir, cela nous offre une portée presque illimitée pour créer des cristaux parfaitement adaptés. matériaux artificiels."

Le co-auteur, le Dr Eli G Castanon, a ajouté que "pouvoir observer le modèle et le comportement des domaines ferroélectriques dans des structures d'épaisseur nanométrique avec KPFM et SEM était très excitant. L'avancement des techniques de caractérisation ainsi que les vastes possibilités de formation de de nouvelles hétérostructures de matériaux 2D ouvrent la voie à de nouvelles capacités à l'échelle nanométrique pour de nombreuses industries." + Explorer plus loin

Nanostructuration des propriétés électroniques des semi-conducteurs 2D torsadés à l'aide de la torsion