Alors que la technologie des semi-conducteurs à base de silicium approche de la limite de ses performances, de nouveaux matériaux susceptibles de remplacer ou de remplacer partiellement le silicium dans la technologie sont fortement souhaités. Récemment, l'émergence du graphène et d'autres matériaux bidimensionnels (2D) offre une nouvelle plate-forme pour la construction de la technologie semi-conductrice de nouvelle génération. Parmi eux, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), tels que MoS₂ , WS₂ , MoSe₂ , WSe₂ , sont les semi-conducteurs 2D les plus attrayants.

Une condition préalable à la construction de circuits semi-conducteurs hautes performances à très grande échelle est que les matériaux de base doivent être un monocristal à l'échelle d'une tranche, tout comme la tranche de silicium utilisée aujourd'hui. Bien que de grands efforts aient été consacrés à la croissance de monocristaux de TMD à l'échelle d'une tranche, le succès était jusqu'à présent très limité.

L'éminent professeur Feng Ding et son équipe de recherche du Center for Multidimensional CarbonMaterials (CMCM), au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) de l'UNIST, en coopération avec un chercheur de l'Université de Pékin (PKU), de l'Institut de technologie de Pékin et de l'Université Fudan, ont signalé la croissance directe de WS₂ monocristallin de 2 pouces films monocouches très récemment. Outre le WS₂ , l'équipe de recherche a également démontré la croissance du MoS monocristallin₂ , WSe₂ , et MoSe₂ également à l'échelle de la plaquette.

La technologie clé de la croissance épitaxiale d'un grand cristal unique consiste à garantir que tous les petits monocristaux développés sur un substrat sont uniformément alignés. Étant donné que les TMD ont une structure non centrosymétrique ou que l'image miroir d'un TMD par rapport à un bord de celui-ci a un alignement opposé, nous devons briser une telle symétrie en concevant soigneusement le substrat. Sur la base de calculs théoriques, les auteurs ont proposé un mécanisme de "croissance d'épitaxie guidée par double couplage " pour la conception expérimentale. Le WS₂ -saphir interaction plane comme première force motrice, conduisant à deux orientations antiparallèles préférées du WS₂ îles. Le couplage entre WS₂ et le gradin en saphir est la deuxième force motrice et il brisera la dégénérescence des deux orientations antiparallèles. Ensuite, tous les monocristaux de TMD cultivés sur un substrat à bords étagés sont tous alignés unidirectionnels et enfin, la coalescence de ces petits monocristaux conduit à un gros monocristal de la même taille que le substrat.

"Ce nouveau mécanisme de croissance par épitaxie à double couplage est nouveau pour la croissance contrôlable des matériaux. En principe, il nous permet de réaliser la croissance de tous les matériaux 2D en monocristaux de grande surface si le substrat approprié a été trouvé." Dit le Dr Ting Cheng, le co-premier auteur de l'étude. "Nous avons réfléchi à la manière de choisir théoriquement les substrats appropriés. Premièrement, le substrat doit avoir une faible symétrie et, deuxièmement, davantage de bords de marche sont préférés." souligne le professeur Feng Ding, l'auteur correspondant de l'étude.

"Il s'agit d'une avancée majeure dans le domaine des dispositifs à base de matériaux 2D. Alors que la croissance réussie des TMD 2D monocristallins à l'échelle de la tranche sur des isolants au-delà du graphène et du hBN sur des substrats de métaux de transition, notre étude fournit la clé de voûte requise des semi-conducteurs 2D dans applications haut de gamme des appareils électroniques et optiques », explique le professeur Feng Ding.

La recherche a été publiée dans Nature Nanotechnology . + Explorer plus loin

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