Une nouvelle génération d'électronique et d'optoélectronique pourrait bientôt être possible en contrôlant les angles de torsion dans un type particulier de matériau bicouche 2D utilisé dans ces appareils, renforçant la charge électrique intrinsèque qui existe entre les deux couches, selon des chercheurs de Penn State, Harvard University, Massachusetts Institute of Technology et Rutgers University.

Les chercheurs ont travaillé avec des matériaux 2D dichalcogénures de métaux de transition (TMD) réguliers et des Janus TMD, une classe de matériaux 2D nommés d'après le dieu romain de la dualité, Janus. Ces matériaux 2D bicouches ont une interaction entre les couches connue sous le nom de couplage intercouche de van der Waals qui conduit à un transfert de charge, un processus important pour la fonctionnalité des appareils électroniques. Le transfert de charge pour les deux côtés des TMD conventionnels est le même car chaque côté a le même type d'atomes. Dans le cas des matériaux Janus TMD, les atomes de chaque côté du matériau sont de types différents, conduisant à un transfert de charge varié lorsque chaque côté est en contact avec d'autres matériaux 2D.

"Dans notre étude, les deux types d'atomes de chaque côté du matériau Janus TMD étaient le soufre et le sélénium", a déclaré Shengxi Huang, professeur adjoint de génie électrique et de génie biomédical à Penn State et co-auteur de l'étude récemment publiée dans ACS Nano . "Parce qu'ils sont différents, il peut y avoir une séparation de charge ou un déséquilibre de charge pour le haut et le bas. Cela crée un champ électrique intrinsèque dirigé verticalement qui est très différent des matériaux 2D conventionnels."

Dans des recherches précédentes, Huang et les autres chercheurs ont cherché à comprendre si ce champ électrique intrinsèque aurait un impact sur les matériaux 2D adjacents lorsqu'ils sont superposés. Ils ont découvert que le couplage est plus fort dans les matériaux Janus 2D que dans les matériaux 2D traditionnels, en raison de la charge asymétrique causée par les différents types d'atomes de chaque côté.

Pour le travail en cours, ils ont empilé manuellement deux types de couches de matériaux, Janus TMD et des matériaux 2D réguliers, ce qui a provoqué des angles aléatoires en fonction de la façon dont ils étaient empilés. Mais lorsqu'ils ont ajusté les angles d'empilement de chaque couche à des degrés spécifiques, ils ont fait une découverte intéressante. Si les matériaux en forme de triangle sont tordus pour s'empiler à un angle de zéro degré, lorsqu'ils sont parfaitement alignés, ou à un angle de 60 degrés, lorsqu'ils sont exactement à l'opposé de l'alignement parfait, ils ont trouvé que les couplages étaient beaucoup plus solides que à des angles aléatoires. De plus, ils ont également découvert que le couplage intercouche est plus fort lorsque le Janus TMD est superposé sur le TMD conventionnel avec le même type d'élément.

"La principale découverte était que pour cette même interface soufre/soufre, le couplage intercouche est beaucoup plus fort que l'interface soufre/sélénium", a déclaré Huang. "Et c'est à cause de la distribution de charge liée à la direction dipolaire dans ces atomes. Cela signifie qu'il peut y avoir un transfert de charge efficace entre les deux couches. Sur la base de notre calcul, la séparation, c'est-à-dire la distance entre les couches intermédiaires, est beaucoup plus petite , ce qui montre qu'il y a un couplage plus fort."

Pour le découvrir, Huang et l'équipe ont utilisé la spectroscopie Raman basse fréquence. Ils éclairaient les deux couches de matériaux 2D, ce qui faisait vibrer les atomes des matériaux. Si la vibration est plus rapide et à une fréquence plus élevée, cela indique que le couplage intercouche est fort.

"Vous pouvez imaginer cela en utilisant un ressort reliant deux boules", a déclaré Huang. "Si le ressort vibre très vite, cela signifie que ce ressort est fort."

L'autre méthode utilisée par l'équipe au cours de ses recherches était la spectroscopie de photoluminescence. Lorsque deux couches de matériau 2D échangent des charges entre elles, l'intensité d'émission lumineuse dans l'un des matériaux chute. En effet, certaines charges sont transférées vers l'autre couche et il n'y a pas assez de charge pour que la photoluminescence se produise dans la couche "d'envoi".

"Nous l'avons utilisé comme mesure du degré de transfert de charge entre les deux couches", a déclaré Kunyan Zhang, doctorant en génie électrique à Penn State et co-auteur principal de l'étude. "Ces résultats que nous avons obtenus à partir de l'émission de lumière sont cohérents avec notre spectroscopie Raman à basse fréquence. Là où nous voyons un couplage plus fort de la vibration atomique, nous voyons également une baisse plus importante de l'émission de lumière."

Ces découvertes sont importantes pour l'avancement de l'électronique et de l'optoélectronique. Contrôler le couplage intercouche et induire différents comportements optiques et/ou électroniques revêt une grande importance pour les performances de nombreux dispositifs optoélectroniques et électroniques.

"Ces nouvelles capacités matérielles peuvent affecter de nombreuses applications, allant de l'optoélectronique aux appareils électroniques en passant par les capacités catalytiques des appareils électrochimiques tels que les batteries", a déclaré Huang. "Ces appareils sont partout dans notre vie quotidienne, comme l'éclairage, l'électronique, les appareils électroménagers et les piles."

La poursuite des travaux dans ce domaine de recherche inclura comment le couplage intercouche affecte d'autres types de matériaux. De plus, leurs découvertes pourraient être utiles à d'autres chercheurs à l'avenir.

"Les personnes extérieures à notre domaine pourraient bénéficier de notre étude", a déclaré Zhang. "Le réglage de ce type de couplage intérieur à l'aide de l'interface avec des angles de torsion n'a pas été étudié auparavant. Ces résultats peuvent être frappants pour d'autres dans le domaine 2D dont le travail n'implique pas les Janus TMD." + Explorer plus loin

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