Une étude publiée dans Advanced Materials révèle les propriétés de transport thermique de cristaux ultrafins de diséléniure de molybdène, un matériau bidimensionnel de la famille des dichalcogénures de métaux de transition (TMD). Surclassant le silicium, les matériaux TMD s'avèrent être des candidats exceptionnels pour les applications électroniques et optoélectroniques, telles que les dispositifs flexibles et portables. Cette recherche, qui a impliqué des chercheurs appartenant à quatre groupes ICN2 et de l'ICFO (Barcelone), de l'Université d'Utrecht (Pays-Bas), de l'Université de Liège (Belgique) et de l'Institut Weizmann des Sciences (Israël), a été coordonnée par le chef de groupe ICN2, le Dr. Klaas-Jan Tielrooij.

La demande croissante de composants et d'appareils extrêmement petits a conduit les scientifiques à rechercher de nouveaux matériaux qui pourraient mieux répondre à ces besoins. Les matériaux en couches bidimensionnels (matériaux 2D) - qui peuvent être aussi minces qu'une ou quelques couches atomiques et ne sont fortement liés que dans la direction dans le plan - ont attiré l'attention des universités et de l'industrie, et ne cessent d'étonner avec leurs propriétés particulières et remarquables. Parmi eux, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sont prometteurs pour une variété d'applications électroniques, optoélectroniques et photoniques.

Lorsqu'il s'agit d'intégrer et de miniaturiser des dispositifs, un aspect clé à prendre en compte est les propriétés de transport thermique des matériaux :dans la plupart des applications, la surchauffe est un facteur crucial limitant les performances et la durée de vie. Par conséquent, afin de tirer parti des propriétés électroniques et optiques des TMD, une compréhension et un contrôle approfondis du flux de chaleur dans ces matériaux sont nécessaires. En particulier, comprendre les effets de l'épaisseur du cristal - jusqu'à une seule couche - et de l'environnement sur le transport thermique est la clé des applications.

Influence de l'épaisseur du cristal sur les propriétés de dissipation thermique

Une étude expérimentale et théorique combinée récemment publiée dans Advanced Materials étudie la conductivité thermique du diséléniure de molybdène (MoSe₂ ), qui est un matériau TMD archétypal.

David Saleta Reig, Ph.D. étudiant et premier auteur de l'ouvrage, déclare :"Nous avons effectué une étude systématique des effets de l'épaisseur du cristal et de l'environnement sur le flux de chaleur. Cela comble une lacune importante dans la littérature scientifique sur les matériaux 2D." En effet, effectuer des études expérimentales fiables ou des simulations informatiques du transport thermique sur une large gamme d'épaisseurs allant de la masse à une seule monocouche moléculaire n'est pas une tâche facile. Les auteurs de cette recherche ont pu surmonter ces défis et produire des protocoles et des résultats valables non seulement pour l'étude de cas, MoSe₂ , mais aussi pour une gamme plus large de matériaux 2D.

MoSe ultrafin₂ transporte la chaleur plus rapidement que le silicium ultrafin

Les mesures expérimentales, en combinaison avec des simulations numériques, ont conduit à un résultat remarquable :"Nous avons constaté que la conductivité thermique dans le plan des échantillons ne diminue que marginalement lors de la réduction de l'épaisseur du cristal jusqu'à une monocouche d'épaisseur inférieure au nanomètre. ", explique Sebin Varghese, Ph.D. étudiant et deuxième auteur de l'étude. Ce comportement provient de la nature en couches de MoSe₂ et distingue les matériaux TMD des semi-conducteurs non stratifiés, tels que le silicium, la norme de l'industrie. Dans ce dernier, la conductivité thermique diminue considérablement lorsque l'épaisseur approche le nanomètre, en raison d'une diffusion accrue à la surface. Cet effet est beaucoup moins important dans les matériaux stratifiés, tels que MoSe₂ .

Les simulations de transport thermique des premiers principes ont reproduit les résultats expérimentaux d'une manière excellente et ont conduit à un autre résultat surprenant :"Pour les films les plus minces, la chaleur est transportée par des modes de phonons différents que pour les plus épais", explique le Dr Roberta Farris, chercheuse postdoctorale qui développé et réalisé les simulations ab initio. Enfin, cette étude clarifie également l'influence de l'environnement du matériau sur la dissipation thermique, démontrant que le MoSe₂ ultrafin est capable de dissiper très efficacement la chaleur vers les molécules d'air environnantes.

Le Dr Klaas-Jan Tielrooij, qui a coordonné les travaux, a déclaré :"Ces travaux montrent que les cristaux de TMD d'une épaisseur (sub)nanométrique ont le potentiel de surpasser les films de silicium à la fois en termes de conductivité électrique et thermique dans cette limite ultra-mince." Ces résultats démontrent ainsi les excellentes perspectives des TMD pour des applications nécessitant des épaisseurs de l'ordre de quelques nanomètres ou moins, par exemple dans le cas des dispositifs flexibles et portables et des composants électroniques nanométriques. "Bien sûr, il reste à voir si les TMD tiendront leurs promesses", conclut le Dr Tielrooij, "car il y a de nombreux obstacles à surmonter avant que ces matériaux ne soient appliqués à l'échelle industrielle. Au moins, nous savons maintenant que leur résistance thermique les propriétés ne sont - en principe - pas un spectacle."

Les auteurs de cette étude ont utilisé la technique de thermométrie Raman pour mesurer la conductivité thermique d'un grand nombre de MoSe en suspension, cristallins et propres₂ cristaux d'épaisseur systématiquement variée, en prenant soin d'identifier et de supprimer les éventuels artefacts dépendant de l'épaisseur. Ils ont comparé les résultats expérimentaux avec des simulations ab initio – basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité et la théorie du transport de Boltzmann – réalisées avec la méthode et le logiciel SIESTA, particulièrement adaptés aux simulations atomistiques avec un grand nombre d'atomes. + Explorer plus loin

Les dichalcogénures de métaux de transition s'affaiblissent lorsque l'épaisseur diminue