Des chercheurs de l'Université de Manchester ont réalisé une percée dans le transfert de cristaux 2D, ouvrant la voie à leur commercialisation dans l'électronique de nouvelle génération. Cette technique, détaillée dans un récent article Nature Electronics article, utilise un tampon entièrement inorganique pour créer les piles de matériaux 2D les plus propres et les plus uniformes à ce jour.
L'équipe, dirigée par le professeur Roman Gorbatchev de l'Institut national du graphène, a utilisé le tampon inorganique pour « sélectionner et placer » avec précision des cristaux 2D dans des hétérostructures de van der Waals comprenant jusqu'à huit couches individuelles dans un environnement ultra-vide. Ces progrès ont abouti à des interfaces atomiquement propres sur des zones étendues, un bond en avant significatif par rapport aux techniques existantes et une étape cruciale vers la commercialisation de dispositifs électroniques à base de matériaux 2D.
De plus, la rigidité de la nouvelle conception du tampon minimise efficacement l’inhomogénéité des contraintes dans les piles assemblées. L'équipe a observé une diminution remarquable de la variation locale (sur un ordre de grandeur) au niveau des interfaces « tordues », par rapport aux assemblages de pointe actuels.
L’empilement précis de matériaux 2D individuels dans des séquences définies offre le potentiel de concevoir des cristaux de conception au niveau atomique, dotés de nouvelles propriétés hybrides. Bien que de nombreuses techniques aient été développées pour transférer des couches individuelles, presque toutes reposent sur des membranes ou des tampons polymères organiques pour le support mécanique lors de la transition de leurs substrats d'origine à ceux cibles. Malheureusement, cette dépendance aux matériaux organiques introduit inévitablement une contamination de surface des matériaux en 2D, même dans des environnements de salle blanche méticuleusement contrôlés.
Dans de nombreux cas, les contaminants de surface piégés entre les couches de matériaux 2D se sépareront spontanément en bulles isolées séparées par des zones atomiquement propres. "Cette ségrégation nous a permis d'explorer les propriétés uniques des empilements atomiquement parfaits", a expliqué le professeur Gorbatchev. "Cependant, les zones propres entre les bulles de contaminants sont généralement limitées à quelques dizaines de micromètres pour les empilements simples, avec des zones encore plus petites pour les structures plus complexes impliquant des couches et des interfaces supplémentaires."
Il a ajouté :"Cette contamination omniprésente induite par le transfert, ainsi que la contrainte variable introduite pendant le processus de transfert, ont été le principal obstacle au développement de composants électroniques industriellement viables basés sur des matériaux 2D."
Le support polymère utilisé dans les techniques conventionnelles agit à la fois comme une source de contamination à l'échelle nanométrique et comme un obstacle aux efforts visant à éliminer les contaminants préexistants et ambiants. Par exemple, la contamination adsorbée devient plus mobile à des températures élevées et peut être entièrement désorbée, mais les polymères ne peuvent généralement pas résister à des températures supérieures à quelques centaines de degrés. De plus, les polymères sont incompatibles avec de nombreux agents de nettoyage liquides et ont tendance à se dégazer sous vide.
"Pour surmonter ces limitations, nous avons conçu un tampon hybride alternatif, comprenant une membrane flexible en nitrure de silicium pour le support mécanique et une couche métallique ultra fine comme "colle" collante pour capter les cristaux 2D", a expliqué le Dr Nick Clark, deuxième auteur de l'étude.
"En utilisant la couche métallique, nous pouvons soigneusement prélever un seul matériau 2D, puis" tamponner "séquentiellement sa surface inférieure atomiquement plate sur des cristaux supplémentaires. Les forces de Van der Waals au niveau de cette interface parfaite provoquent l'adhérence de ces cristaux, nous permettant de construire des cristaux sans faille. des piles de huit couches maximum."
Après avoir démontré avec succès la technique utilisant des flocons microscopiques exfoliés mécaniquement à partir de cristaux à l'aide de la méthode du « ruban adhésif », l'équipe a étendu le processus de transfert ultra-propre pour manipuler des matériaux issus de la phase gazeuse à des tailles plus grandes, obtenant ainsi un transfert propre de zones à l'échelle millimétrique. La capacité de travailler avec ces matériaux 2D « développés » est cruciale pour leur évolutivité et leurs applications potentielles dans les appareils électroniques de nouvelle génération.
Plus d'informations : Wendong Wang et al, Assemblage propre d'hétérostructures de van der Waals à l'aide de membranes en nitrure de silicium, Nature Electronics (2023). DOI :10.1038/s41928-023-01075-y
Informations sur le journal : Électronique naturelle
Fourni par l'Université de Manchester
