Dans une étude publiée dans Nature Materials , des scientifiques de l'Université de Californie à Irvine décrivent une nouvelle méthode permettant de fabriquer des cristaux très fins de l'élément bismuth, un processus qui pourrait contribuer à faire de la fabrication de composants électroniques flexibles et bon marché une réalité quotidienne.
"Le bismuth fascine les scientifiques depuis plus de cent ans en raison de son faible point de fusion et de ses propriétés électroniques uniques", a déclaré Javier Sanchez-Yamagishi, professeur adjoint de physique et d'astronomie à l'UC Irvine et co-auteur de l'étude. "Nous avons développé une nouvelle méthode pour fabriquer des cristaux très fins à partir de matériaux tels que le bismuth et, ce faisant, révéler les comportements électroniques cachés des surfaces du métal."
Les feuilles de bismuth fabriquées par l’équipe n’ont que quelques nanomètres d’épaisseur. Sanchez-Yamagishi a expliqué comment les théoriciens ont prédit que le bismuth contiendrait des états électroniques spéciaux lui permettant de devenir magnétique lorsque l'électricité le traverse, ce qui est essentiel pour les dispositifs électroniques quantiques basés sur le spin magnétique des électrons.
L'un des comportements cachés observés par l'équipe est ce que l'on appelle les oscillations quantiques provenant de la surface des cristaux.
"Les oscillations quantiques résultent du mouvement d'un électron dans un champ magnétique", a déclaré Laisi Chen, titulaire d'un doctorat. candidat en physique et astronomie à l'UC Irvine et l'un des principaux auteurs de l'article. "Si l'électron peut effectuer une orbite complète autour d'un champ magnétique, il peut présenter des effets importants pour les performances de l'électronique. Les oscillations quantiques ont été découvertes pour la première fois dans le bismuth dans les années 1930, mais n'ont jamais été observées dans des cristaux de bismuth d'une épaisseur nanométrique. "
Amy Wu, titulaire d'un doctorat. candidat en physique dans le laboratoire de Sanchez-Yamagishi, a comparé la nouvelle méthode de l'équipe à une presse à tortillas. Pour fabriquer des feuilles de bismuth ultra-fines, a expliqué Wu, ils ont dû écraser le bismuth entre deux plaques chauffantes. Pour rendre les feuilles aussi plates qu'elles le sont, ils ont dû utiliser des plaques de moulage parfaitement lisses au niveau atomique, ce qui signifie qu'il n'y a pas de creux microscopiques ou d'autres imperfections sur la surface.
"Nous avons ensuite préparé une sorte de quesadilla ou de panini où le bismuth est la garniture au fromage et les tortillas sont les surfaces atomiquement plates", a expliqué Wu.
"Il y a eu ce moment de nervosité où nous avons passé plus d'un an à fabriquer ces magnifiques cristaux minces, mais nous ne savions pas si leurs propriétés électriques seraient extraordinaires", a déclaré Sanchez-Yamagishi. "Mais lorsque nous avons refroidi l'appareil dans notre laboratoire, nous avons été étonnés d'observer des oscillations quantiques, jamais vues auparavant dans des films minces de bismuth."
"La compression est une technique de fabrication très courante utilisée pour fabriquer des matériaux ménagers courants tels que du papier d'aluminium, mais elle n'est pas couramment utilisée pour fabriquer des matériaux électroniques comme ceux de vos ordinateurs", a ajouté Sanchez-Yamagishi. "Nous pensons que notre méthode se généralisera à d'autres matériaux, tels que l'étain, le sélénium, le tellure et les alliages associés à bas points de fusion, et qu'elle pourrait être intéressante à explorer pour les futurs circuits électroniques flexibles."
Ensuite, l'équipe souhaite explorer d'autres façons d'utiliser les méthodes de compression et de moulage par injection pour fabriquer les prochaines puces informatiques pour téléphones ou tablettes.
"Les nouveaux membres de notre équipe apportent des idées passionnantes à ce projet et nous travaillons sur de nouvelles techniques pour mieux contrôler la forme et l'épaisseur des cristaux de bismuth développés", a déclaré Chen. "Cela simplifiera la façon dont nous fabriquons les appareils et fera un pas de plus vers la production de masse."
L'équipe de recherche comprenait des collaborateurs de l'UC Irvine, du Laboratoire national de Los Alamos et de l'Institut national de science des matériaux au Japon.
Plus d'informations : Laisi Chen et al, Transport électronique exceptionnel et oscillations quantiques dans de minces cristaux de bismuth cultivés à l'intérieur de matériaux de van der Waals, Nature Materials (2024). DOI :10.1038/s41563-024-01894-0
Informations sur le journal : Matériaux naturels
Fourni par l'Université de Californie, Irvine
