Les cristaux 2D de van der Waals, une classe de matériaux qui présentent de fortes liaisons covalentes dans le plan et de faibles interactions intercouches, ont récemment fait l'objet de nombreuses études de recherche en raison de leur pléthore de propriétés électriques, optiques et mécaniques uniques. Curieusement, lorsqu'un empilement vertical hybride de différentes feuilles de cristaux de van der Waals est assemblé, il acquiert de nouvelles propriétés absentes de l'une de ses couches constitutives.

Récemment, des chercheurs de l'Université de Chicago, de l'Université Cornell et de l'Université du Michigan ont exploré une nouvelle technique robotique pour assembler des structures complexes de van der Waals afin que leurs propriétés hybrides puissent être étudiées plus efficacement. Dans un article récemment publié dans Nature Nanotechnology , l'équipe a introduit une méthode robotisée automatisée pour l'assemblage 4D des solides de van der Waals, en s'appuyant sur des techniques de synthèse de matériaux 2D à l'échelle d'une plaquette et d'empilement propre de matériaux sous vide introduites dans leurs travaux précédents.

"Alors que les techniques que nous avons développées dans le passé nous permettaient d'empiler des couches de matériaux 2D d'environ un centimètre carré, il était difficile de créer des structures avec des conceptions dans le plan complexes et résolues au micron", a déclaré Andrew Ye, l'un des principaux auteurs du étude, a déclaré à Phys.org. "En fin de compte, nous voulions une technique qui nous permette de tirer parti du matériau à l'échelle d'une plaquette et de la propreté de l'empilement sous vide dans le contexte de la fabrication de structures avec une sophistication géométrique à l'échelle du micron. Notre nouvelle méthode nous permet de le faire."

Actuellement, de nombreuses hétérostructures composées de matériaux 2D sont construites à l'aide de flocons 2D exfoliés. Cependant, ces éclats peuvent avoir des formes très aléatoires, de sorte que la géométrie des structures assemblées résultantes peut sembler quelque peu "désordonnée".

"Contrairement à ces techniques, notre méthode nouvellement développée nous permet de fabriquer des structures avec des géométries délibérées", a expliqué Ye. "C'est parce que nous commençons avec une plaquette de matériau, puis nous la structurons proprement en réseaux d'unités" pixelisées "discrètes. Ces pixels deviennent les éléments constitutifs des structures complexes assemblées."

Pour assembler les structures de van der Waals, Ye et ses collègues ont utilisé un instrument qu'ils ont construit sur mesure, composé d'une chambre à vide poussé avec (X, Y, Z et θ ) actionneurs qui contiennent un tampon polymère soigneusement conçu. La chambre à vide garantit que les matériaux à l'intérieur restent intacts pendant les processus de fabrication.

Les actionneurs à quatre axes permettent à l'instrument de contrôler les mouvements du tampon en polymère avec une grande précision. Enfin, le tampon polymère peut être utilisé pour prélever méthodiquement des pixels matériels d'une puce et les placer délicatement sur une autre.

"Parce que notre processus est hautement automatisé, nous pouvons faire fonctionner notre machine sans contrôle de l'opérateur et assembler des structures à environ 30 couches par heure", a expliqué Ye. "C'est un ordre de grandeur plus rapide que ce qui pouvait être fait auparavant."

L'article récent introduit un nouveau paradigme précieux qui peut être utilisé pour fabriquer des hétérostructures complexes de van der Waals, à partir de matériaux synthétisés à l'échelle d'une tranche. Cette nouvelle méthode avantageuse pourrait aider à faire progresser l'assemblage d'hétérostructures à base de matériaux 2D, allant au-delà des techniques de laboratoire existantes et à petite échelle.

"Dans le cadre de la recherche académique, nous montrons que cette technique pourrait être utilisée pour étudier rapidement les permutations de différents matériaux au sein d'une même structure (comme pour explorer de nouveaux phénomènes optiques ou électriques) et pour étudier les propriétés des multicouches θ -les matériaux 2D monocristallins torsadés, ce qui intéresse la communauté de la physique de la matière condensée", a déclaré Ye.

A l'avenir, la méthode d'assemblage introduite par cette équipe de chercheurs pourrait être utilisée pour fabriquer à grande échelle de l'électronique à base de matériaux 2D. Alors que les techniques de laboratoire existantes ne peuvent généralement être utilisées que pour fabriquer de manière fiable des hétérostructures de quelques microns, la méthode proposée par Ye et ses collègues pourrait permettre la fabrication à grande échelle de solides de van der Waals complexes de 100 microns. .

"Nous prévoyons maintenant de développer davantage l'utilisation d'électrodes dans le processus d'empilage robotique", a ajouté Ye. "De plus, il existe de nombreuses propriétés physiques intéressantes dans le multicouche θ -des matériaux 2D monocristallins torsadés que nous aimerions approfondir." + Explorer davantage

Un diélectrique de van der Waals à l'échelle d'une plaquette basé sur un film de cristal moléculaire inorganique

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