Créer de nouveaux matériaux en combinant des couches aux propriétés uniques et bénéfiques semble être un processus assez intuitif :empiler les matériaux et cumuler les avantages. Cependant, ce n'est pas toujours le cas. Tous les matériaux ne permettent pas à l'énergie de circuler à travers eux de la même manière, ce qui fait que les avantages d'un matériau se font au détriment d'un autre.
À l'aide d'outils de pointe, des scientifiques du Center for Functional Nanomaterials (CFN), d'une installation utilisateur du Département américain de l'énergie (DOE) du Brookhaven National Laboratory et de l'Institut de physique expérimentale de l'Université de Varsovie ont créé une nouvelle structure en couches avec Matériaux 2D qui présentent un transfert d'énergie et de charge unique. Comprendre ses propriétés matérielles pourrait conduire à des avancées technologiques telles que les cellules solaires et autres dispositifs optoélectroniques. Les résultats ont été publiés dans la revue Nano Letters .
Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sont une classe de matériaux structurés comme des sandwichs avec des couches atomiquement minces. La chair d'un TMD est un métal de transition, qui peut former des liaisons chimiques avec des électrons sur leur orbite ou leur coquille la plus externe, comme la plupart des éléments, ainsi qu'avec la coquille suivante. Ce métal est pris en sandwich entre deux couches de chalcogènes, une catégorie d'éléments qui contient de l'oxygène, du soufre et du sélénium.
Les chalcogènes ont tous six électrons dans leur couche la plus externe, ce qui rend leur comportement chimique similaire. Chacune de ces couches de matériaux n'a qu'un atome d'épaisseur, soit un millionième de l'épaisseur d'une mèche de cheveux humains, ce qui les amène à être appelées matériaux bidimensionnels (2D).
"Au niveau atomique, vous pouvez voir ces propriétés électroniques uniques et réglables", a déclaré Abdullah Al-Mahboob, un scientifique de Brookhaven au sein du groupe CFN Interface Science and Catalysis. "Les TMD sont comme un terrain de jeu pour la physique. Nous déplaçons l'énergie d'un matériau à l'autre au niveau atomique."
De nouvelles propriétés commencent à émerger des matériaux à cette échelle. Le graphène, par exemple, est la version 2D du graphite, le matériau dont sont faits la plupart des crayons. Dans une expérience lauréate du prix Nobel, des scientifiques ont utilisé un morceau de ruban adhésif pour retirer des flocons de graphite afin d'étudier une couche de graphène. Les chercheurs ont découvert que le graphène était incroyablement résistant au niveau atomique :200 fois plus résistant que l’acier par rapport à son poids. De plus, le graphène est un excellent conducteur thermique et électrique et possède un spectre d’absorption lumineuse unique. Cela a ouvert la porte à l'étude des formes 2D d'autres matériaux et de leurs propriétés.
Les matériaux 2D sont intéressants en eux-mêmes, mais lorsqu’ils sont combinés, des choses surprenantes commencent à se produire. Chaque matériau possède son propre super pouvoir :protéger les matériaux de l'environnement, contrôler le transfert d'énergie, absorber la lumière à différentes fréquences. Lorsque les scientifiques commencent à les empiler, ils créent ce que l'on appelle une hétérostructure. Ces hétérostructures sont capables de choses extraordinaires et pourraient un jour être intégrées dans les technologies futures, comme des composants électroniques plus petits et des détecteurs de lumière plus avancés.
Même si l’exploration de ces matériaux a peut-être commencé avec quelque chose d’aussi simple qu’un morceau de ruban adhésif, les outils utilisés pour extraire, isoler, cataloguer et construire des matériaux 2D sont devenus très avancés. Au CFN, tout un système a été dédié à l'étude de ces hétérostructures et des techniques utilisées pour les créer :la Quantum Material Press (QPress).
"Il est difficile de comparer le QPress à quoi que ce soit", a déclaré Suji Park, un scientifique de Brookhaven spécialisé dans les matériaux électroniques. "Il construit une structure couche par couche, comme une imprimante 3D, mais les hétérostructures 2D sont construites selon une approche totalement différente. La QPress crée des couches de matériaux d'un ou deux atomes d'épaisseur, les analyse, les catalogue et enfin les assemble. Robotique est utilisé pour fabriquer systématiquement ces couches ultrafines afin de créer de nouvelles hétérostructures."
Le QPress dispose de trois modules personnalisés :l'exfoliateur, le catalogueur et l'empileur. Pour créer des couches 2D, les scientifiques utilisent l'exfoliant. Semblable à la technique manuelle du ruban adhésif, l'exfoliateur est doté d'un ensemble de rouleaux mécanisés qui exfolie de fines couches de cristaux sources plus gros avec des commandes qui offrent le type de précision qui ne peut pas être obtenue à la main.
Une fois collectés et distribués, les cristaux sources sont pressés sur une plaquette d’oxyde de silicone et décollés. Ils sont ensuite transmis au catalogueur, un microscope automatisé combinant plusieurs techniques de caractérisation optique. Le catalogueur utilise l'apprentissage automatique (ML) pour identifier les éléments d'intérêt qui sont ensuite catalogués dans une base de données. Actuellement, le ML est formé uniquement avec des données sur le graphène, mais les chercheurs continueront d'ajouter différents types de matériaux 2D. Les scientifiques peuvent utiliser cette base de données pour trouver les flocons de matériaux dont ils ont besoin pour leurs recherches.
Lorsque les matériaux nécessaires sont disponibles, les scientifiques peuvent utiliser l’empileur pour fabriquer des hétérostructures à partir de ceux-ci. À l'aide d'une robotique de haute précision, ils prélèvent les échantillons d'écailles et les disposent dans l'ordre nécessaire, sous n'importe quel angle nécessaire, et transfèrent les substrats pour créer l'hétérostructure finale, qui peut être stockée à long terme dans une bibliothèque d'échantillons pour une utilisation ultérieure.
Le climat est contrôlé pour garantir la qualité des échantillons et le processus de fabrication, depuis l'exfoliation jusqu'à la construction d'hétérostructures, est réalisé dans un environnement de gaz inerte dans une boîte à gants. Les flocons exfoliés et les échantillons empilés sont stockés sous vide, dans les bibliothèques d'échantillons du cluster QPress.
De plus, des outils d’évaporation par faisceau d’électrons, de recuit et de plasma d’oxygène sont disponibles du côté vide du cluster. La robotique est utilisée pour transmettre des échantillons d’une zone du QPress à la suivante. Une fois ces nouvelles hétérostructures fabriquées, que font-elles réellement et comment le font-elles ?
Après que l'équipe du CFN ait fabriqué ces nouveaux matériaux fascinants avec le QPress, elle a intégré les matériaux à une suite d'outils avancés de microscopie et de spectroscopie qui leur ont permis d'explorer les propriétés optoélectroniques sans exposer les échantillons à l'air, ce qui dégraderait les structures des matériaux. Certaines des propriétés quantiques délicates et exotiques des matériaux 2D nécessitent des températures cryogéniques ultra-basses pour être détectées, jusqu'à quelques kelvins seulement. Sinon, ils sont perturbés par la moindre quantité de chaleur ou par tout produit chimique présent dans l'air.
Cette plate-forme comprendra des microscopes avancés, des spectromètres à rayons X et des lasers ultrarapides capables d'étudier le monde quantique à des températures cryogéniques.
Grâce aux capacités avancées de ces ressources, l'équipe a pu obtenir une image plus détaillée du fonctionnement du transfert d'énergie à longue distance dans les TMD.
L’énergie veut se déplacer à travers les matériaux, de la même manière qu’une personne veut gravir une échelle, mais elle a besoin d’un endroit où s’accrocher. Les bandes interdites peuvent être considérées comme l’espace entre les barreaux d’une échelle. Plus l’écart est grand, plus il est difficile et lent de grimper. Si l’écart est trop grand, il ne sera peut-être même pas possible de finir de progresser. En utilisant des matériaux qui possèdent déjà d'excellentes propriétés conductrices, cette équipe spécialisée de scientifiques a pu les empiler de manière à exploiter leur structure pour créer des voies qui transfèrent la charge plus efficacement.
L'un des TMD créés par l'équipe était le bisulfure de molybdène (MoS2 ), dont des études antérieures ont montré qu'elles avaient une forte photoluminescence. La photoluminescence est le phénomène qui fait briller certains matériaux dans le noir après avoir été exposés à la lumière. Lorsqu'un matériau absorbe la lumière avec plus d'énergie que cette bande interdite, il peut émettre de la lumière avec une énergie photonique égale à l'énergie de la bande interdite.
Si un deuxième matériau avec une bande interdite d'énergie égale ou inférieure se rapproche du premier, aussi proche d'un sous-nanomètre à quelques nanomètres, l'énergie peut être transférée de manière non radiative du premier matériau au second. Le deuxième matériau peut alors émettre de la lumière avec une énergie photonique égale à sa bande interdite énergétique.
Grâce à une couche intermédiaire isolante en nitrure de bore hexagonal (hBN), qui empêche la conductivité électronique, les scientifiques ont observé un type inhabituel de transfert d'énergie à longue distance entre ce TMD et un autre en diséléniure de tungstène (WSe2 ), qui conduit l’électricité de manière très efficace. Le processus de transfert d'énergie s'est produit à partir des matériaux à bande interdite inférieure à supérieure, ce qui n'est pas typique dans les hétérostructures TMD, où le transfert se produit généralement à partir des matériaux 2D à bande interdite supérieure à inférieure.
L'épaisseur de la couche intermédiaire a joué un rôle important, mais elle a également semblé défier les attentes. "Nous avons été surpris par le comportement de ce matériau", a déclaré Al-Mahboob. "L'interaction entre les deux couches augmente avec l'augmentation de la distance jusqu'à un certain degré, puis elle commence à diminuer. Des variables telles que l'espacement, la température et l'angle ont joué un rôle important."
En comprenant mieux comment ces matériaux absorbent et émettent de l’énergie à cette échelle, les scientifiques peuvent appliquer ces propriétés à de nouveaux types de technologies et améliorer celles actuelles. Ceux-ci pourraient inclure des cellules solaires qui absorbent la lumière plus efficacement et conservent une meilleure charge, des photocapteurs avec une plus grande précision et des composants électroniques qui peuvent être réduits à des tailles encore plus petites pour des appareils plus compacts.
Plus d'informations : Arka Karmakar et al, Échange excitonique de haute altitude dépendant de l'excitation via le transfert d'énergie intercouche à partir d'un matériau 2D à bande interdite inférieure à supérieure, Nano Letters (2023). DOI :10.1021/acs.nanolett.3c01127
Informations sur le journal : Lettres nano
Fourni par le Laboratoire national de Brookhaven
