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Posté par Redbran le Lundi 30/10/2017 à 12:00
Un nouveau cristal 2D sur le point d'être isolé ?
Des scientifiques l’Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS/Université de Haute Alsace) sont parvenus à confirmer l’existence d’un nouveau cristal en deux dimensions (2D), le germanène. Ils montrent que l’on peut modifier ses interactions avec son substrat. Une étape importante en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de son exfoliation pour étudier ses propriétés électroniques inédites. Ces travaux sont parus dans la revue J. Phys. Chem. Lett.


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Les cristaux en deux dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de...), constitués d’une seule couche d’atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) en « nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir leurs œufs et fournir un premier abri à leur...) d’abeille » intéressent fortement les chercheurs depuis quelques années. Conducteurs ou semi-conducteurs nanométriques, ces matériaux possèdent en effet des propriétés électroniques fascinantes. Ils pourraient être des isolants topologiques utilisables dans la fabrication des ordinateurs quantiques. Toutefois, la mise en évidence de cette propriété n’est pas simple. La première difficulté réside dans le fait que dans la nature, on ne trouve sous cette forme que le graphène, constituant du graphite. D’autres cristaux bidimensionnels peuvent aujourd’hui être obtenus par synthèse, comme le silicène, le stanène et le germanène, respectivement à base de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), d’étain et de germanium. Leur synthèse se fait sur un support cristallin comme l’aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.), l’or ou l’argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.). Mais jusqu’à présent, le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition...) 2D n’a pu être dissocié de son substrat … Impossible donc de les étudier isolément ! Grâce aux travaux des chercheurs de l’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 Theoretical Physics est...) de Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de connaissances, d'études...) des Matériaux de Mulhouse une étape cruciale vers cette séparation vient d’être franchie.

L’étude des chercheurs de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse porte précisément sur le germanène. Pour la synthèse, une méthode consiste à déposer sous ultravide et très lentement (0,005 nm/min) du germanium sur la face (111) d’un cristal d’aluminium. Ce substrat est maintenu entre 80 et 100 °C pendant le dépôt. Les scientifiques ont montré qu’en appliquant de petites impulsions de tension (La tension est une force d'extension.) avec la pointe de leur microscope à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel,...) (STM), le germanène change de structure atomique. Il peut présenter deux formes distinctes, et l’on peut passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) de l’une à l’autre à volonté ! Ces deux structures ont été modélisées à l’aide de la théorie dite de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a été étendu, et il...) de la densité, une méthode de calcul quantique. Les images de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible...) à effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands ouvrages hydrauliques...) simulées s’accordent parfaitement avec les images expérimentales, comme cela est visible sur l’image ci-dessous.

Cette étude, publiée dans la revue Journal of Physical Chemistry Letters, confirme dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) l’existence du cristal 2D de germanène. Elle met aussi en évidence la possibilité de modifier les interactions entre les atomes de germanium et ceux du substrat. Il parait alors possible de découpler le germanène du substrat par exfoliation. Ces cristaux pourraient maintenant jouer un rôle dans les dispositifs de la microélectronique et des énergies de demain.

Référence:
Regis Stephan, Mickael Derivaz, Marie-Christine Hanf, Didier Dentel, Natalia Massara, Ahmed Mehdaoui, Philippe Sonnet & Carmelo Pirri
Tip-Induced Switch of Germanene Atomic Structure
J. Phys. Chem. Lett. 8 septembre 2017
DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b02137

Contact chercheur:
Carmelo Pirri, Institut de science des matériaux de Mulhouse

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Source: CNRS-INC