Les matériaux bidimensionnels (2D) conducteurs électroniquement sont actuellement des sujets de recherche brûlants en physique et en chimie en raison de leurs propriétés uniques qui ont le potentiel d’ouvrir de nouvelles voies scientifiques et technologiques. De plus, la combinaison de différents matériaux 2D, appelés hétérostructures, élargit la diversité de leurs propriétés électriques, photochimiques et magnétiques. Cela peut conduire à des dispositifs électroniques innovants qui ne seraient pas réalisables avec un seul matériau.
Les hétérostructures peuvent être fabriquées de deux manières :verticalement, avec des matériaux empilés les uns sur les autres, ou latéralement, lorsque les matériaux sont empilés côte à côte sur le même plan. Les dispositions latérales offrent un avantage particulier, confinant les porteurs de charge à un seul plan et ouvrant la voie à des dispositifs électroniques « dans le plan » exceptionnels. Cependant, la construction de jonctions latérales est un défi.
À cet égard, la réalisation de matériaux 2D fabriqués à partir de matériaux organiques, appelés « nanofeuilles de coordination », est prometteuse. Ils peuvent être créés en combinant des métaux et des ligands, allant de ceux ayant des propriétés métalliques telles que le graphène et des propriétés semi-conductrices telles que les dichalcogénures de métaux de transition à ceux possédant des propriétés isolantes telles que le nitrure de bore.
Ces nanofeuilles permettent une méthode unique appelée transmétallation. Cela permet la synthèse d'hétérostructures latérales avec des « hétérojonctions », ce qui ne peut être réalisé par réaction directe. Les hétérojonctions sont des interfaces entre deux matériaux qui ont des propriétés électroniques distinctes et peuvent donc servir de dispositifs électroniques.
De plus, en utilisant des hétérojonctions de nanofeuilles coordonnées, de nouvelles propriétés électroniques difficiles à obtenir avec des matériaux 2D conventionnels peuvent être créées. Malgré ces avantages, la recherche sur la transmétallation comme méthode de fabrication d'hétérostructures est encore limitée.
Pour combler ce manque de connaissances, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur Hiroshi Nishihara de l'Institut de recherche pour les sciences et technologies de l'Université des sciences de Tokyo (TUS), au Japon, a utilisé la transmétallation séquentielle pour synthétiser des hétérojonctions latérales de Zn3. Nanofeuilles de coordination BHT.
L'équipe comprenait le Dr Choon Meng Tan, le professeur adjoint Naoya Fukui, le professeur adjoint Kenji Takada et le professeur adjoint Hiroaki Maeda, également de TUS. L'étude, un effort de recherche conjoint de TUS, de l'Université de Cambridge, de l'Institut national de science des matériaux (NIMS), de l'Institut de technologie de Kyoto et de l'Institut japonais de recherche sur les rayonnements synchrotrons (JASRI), a été publiée dans la revue Angewandte. Édition Chemie Internationale le 5 janvier 2024.
L'équipe a d'abord fabriqué et caractérisé le Zn3 Nanofeuille de coordination BHT. Ensuite, ils ont étudié la transmétallation du Zn3 BHT avec du cuivre et du fer. Le professeur Nishihara explique :"Grâce à une immersion séquentielle et spatialement limitée de la nanofeuille dans des solutions aqueuses de cuivre et d'ions de fer dans des conditions douces, nous avons facilement fabriqué des hétérostructures avec des hétérojonctions dans le plan de nanofeuilles de fer et de cuivre transmétallées."
Cette méthode est un processus de solution à température ambiante et pression atmosphérique, depuis la fabrication de nanofeuillets coordonnés jusqu'à la fabrication d'hétérojonctions dans le plan. Ce processus est complètement différent du processus de traitement en phase gazeuse sous vide à haute température utilisé dans la technologie de lithographie pour les semi-conducteurs en silicium.
Il s’agit d’un procédé simple et peu coûteux qui ne nécessite pas de gros matériel. Le défi consiste à créer des films minces hautement cristallins et exempts d'impuretés. Si des salles blanches et des réactifs hautement purifiés sont disponibles, des techniques de fabrication commercialement viables seront bientôt mises au point.
L’hétérojonction transparente obtenue par les chercheurs a démontré un comportement de rectification courant dans les circuits électroniques. Le test des caractéristiques de la diode a révélé la polyvalence du Zn3 Nanofeuille de coordination BHT. Ces caractéristiques peuvent être modifiées facilement sans aucun équipement spécial. De plus, ce matériau permet également la fabrication d'un circuit intégré à partir d'une seule feuille de coordination, sans aucun patchwork à partir de différents matériaux.
Le professeur Nishihara déclare :« Les éléments de redressement ultrafins (de l'épaisseur du nanomètre) obtenus grâce à notre méthode seront très utiles pour la fabrication de circuits intégrés à très grande échelle. Simultanément, les propriétés physiques uniques des films à couches monoatomiques avec des hétérojonctions dans le plan peuvent conduire au développement de nouveaux éléments."
De plus, en utilisant cette réaction de transmétallation, il est possible de créer des jonctions avec diverses propriétés électroniques, telles que les jonctions p – n, MIM (métal – isolant – métal) et MIS (métal – isolant – semi-conducteur). La capacité de lier des isolants topologiques monocouches permettra également de créer de nouveaux dispositifs électroniques tels que des séparateurs d'électrons et des dispositifs multiniveaux qui n'ont été prédits que théoriquement.
Dans l'ensemble, cette étude présente une technique simple mais puissante pour créer des hétérostructures latérales, marquant une étape importante dans la recherche sur les matériaux 2D.
Plus d'informations : Choon Meng Tan et al, Redresseur de jonction hétérométallique latérale fabriqué par transmétallation séquentielle de nanofeuilles de coordination, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI :10.1002/anie.202318181
Fourni par l'Université des sciences de Tokyo
