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Posté par Redbran le Mardi 02/02/2016 à 12:00
Un semi-conducteur supraconducteur à basse température
Transformer un semi-conducteur bidimensionnel en conducteur ou supraconducteur.

Grâce à une nouvelle technique utilisant la mobilité des ions dans un substrat de verre, des physiciens ont modifié la densité électronique des couches ultraminces d'un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer...), le disulfure de molybdène. Placé sur le substrat, celui-ci peut être transformé en métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux sont...) et en supraconducteur à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...).

Les semi-conducteurs permettent de réaliser des transistors car il est possible de les faire passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d'un état isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le contraire d'un...) à un état conducteur par la seule application d'un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées électriquement.) extérieur. Si la structure électronique du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) ne permet pas de réaliser ce type de basculement (Le basculement, dans le domaine de l'astronautique, est l'inclinaison progressive d'un véhicule spatial autour d'un axe quelconque. Le basculement peut être utilisé pour modifier la direction du vecteur poussée.), un autre matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières...) bidimensionnel se révèle être le candidat idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la divisibilité pour les...): le disulfure de molybdène, aux propriétés semi-conductrices. Les techniques actuelles de dopage électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) ne permettent pas toutefois de créer des densités de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) assez élevées pour induire une transition isolant-conducteur. Une équipe de physiciens de l'IMPMC (UPMC/CNRS/MNHN/IRD) vient d'inventer une nouvelle technique de dopage électrostatique qui met en jeu de très forts champs électrostatiques au niveau d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) de matériau bidimensionnel placé sur un substrat de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...), provoquant des changements de phases électroniques. Ces chercheurs ont ainsi observé la transition du disulfure de molybdène dans un état conducteur et même, à basse température, dans un état supraconducteur. Cette technique ouvre la voie à la production de conducteurs transparents et à une nouvelle technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) d'électronique sur verre. Ce travail est publié dans la revue Nature Communications. Une demande de brevet a par ailleurs été déposée.

Pour créer un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique très intense dans le disulfure de molybdène, les chercheurs ont eu l'idée clé d'utiliser des ions dans une matrice de verre, plutôt que les électrons des plaques d'un condensateur (Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique, dont la valeur est proportionnelle à la...), comme cela est le cas habituellement. A une température de quelques dizaines de degrés au-dessus de la température ambiante, les ions alcalins présents dans la plupart des verres communs deviennent mobiles et peuvent se déplacer sous l'effet d'un potentiel extérieur. Ce déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En...), de l'ordre de quelques nanomètres seulement, brise la neutralité électrique à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) du substrat en créant une charge d'espace qui peut être gelée rapidement à la température ambiante. Dans leur expérience, les chercheurs ont déposé des échantillons de 2 à 11 nanomètres d'épaisseur de disulfure de molybdène sur des substrats de verre avec des contacts électriques permettant de mesurer leurs propriétés électroniques. Ils ont ensuite créé une charge d'espace à la surface du substrat de verre sous l'échantillon par la méthode décrite ci-dessus. La charge d'espace ainsi créée peut être jusqu'à deux ordres de grandeur plus forte que dans une configuration de condensateur, provoquant des changements dans les propriétés électroniques de l'échantillon de disulfure de molybdène.

Une transition vers un état métallique a été suivie par une transition supraconductrice à une température de 10 degrés Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non...) dans l'échantillon de 11 nanomètres et de 4 degrés Kelvin dans l'échantillon de 2 nanomètres. Ne comportant aucun risque de dégradation de l'échantillon, cette technique pourra être utilisée pour explorer les propriétés électroniques d'autres matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) bidimensionnels.


(a) L'échantillon semi-conducteur est placé sur un substrat de verre et muni de contacts électriques. Un potentiel électrique peut être appliqué entre l'échantillon et la surface inférieure du substrat chauffé pour provoquer le déplacement des ions alcalins rendus mobiles par la température. Ce déplacement à la surface du substrat provoque soit un surcroît d'électrons dans l'échantillon bidimensionnel (voir schéma b), soit un déficit (voir schéma c), soit éventuellement un changement de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) électronique (voir schéma d).
Ces changements de phase peuvent être suivis en mesurant la résistance de l'échantillon en fonction de la température. La courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes...) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) où la résistance augmente quand la température diminue présente un caractère semi-conducteur, la courbe verte avec la tendance inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) présente un caractère métallique et finalement la courbe bleue où il y a une diminution abrupte à très basse température présente un caractère supraconducteur.
Pour plus d'information voir:
Onset of two-dimensional superconductivity in space charge doped few-layer molybdenum disulfide
J. Biscaras (1), Z. Chen (1), A. Paradisi (1) et A. Shukla (1), Nature Communications (2015)

Note:
(1) Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) de minéralogie, de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) des matériaux et de cosmochimie (IMPMC)


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Source et illustrations: CNRS/INP
 
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