Des cristaux atomiques à deux dimensions

Une nouvelle technique pour produire des cristaux bidimensionnels épais de juste une couche atomique a été développée par des physiciens du Royaume-Uni et de Russie. Les cristaux, qui sont essentiellement des molécules 2D gigantesques, ont été créés par André Geim et ses collègues de l'Université de Manchester et de l'Institut de microélectronique de Chernogolovka. Les structures ont été réalisées en frottant simplement la surface fraîchement fendue d'un cristal posé sur une autre surface, comme de la craie sur un tableau noir. Cet "écaillement" micromécanique a créé des paillettes, dont certaines n'étaient, inopinément, épaisses que d'une seule couche.


Geim et ses collègues ont réalisé pour la première fois l'année dernière des cristaux 2D en pelant des couches de graphène, feuilles d'atomes de carbone, à partir de la surface d'un cristal plus épais de graphite. Ils ont ensuite utilisé un microscope optique, un microscope électronique et un microscope à force atomique pour séparer des couches de plus en plus minces, pour finalement aboutir à des couches de l'épaisseur d'un atome de carbone. L'équipe russo-britannique s'est également servi de techniques standards de lithographie pour traiter ces fines couches qui ont des propriétés électroniques utiles, pour en faire des transistors à effet de champ (FET).

Le groupe a constaté que la technique pouvait être utilisée sur presque tous les matériaux en strates dans lesquels les plans atomiques étaient faiblement liés entre eux. Ils ont par exemple, élaboré des cristaux 2D à partir de nitrure de bore et de divers oxydes complexes. En outre, Geim et ses collègues ont découvert que les cristaux étaient stables pendant plusieurs semaines à température ambiante et que la plupart d'entre eux conservaient leurs propriétés structurales et électroniques.

"Depuis des années les scientifiques se demandent si les matériaux 2D peuvent exister ou pas", indique Kostya Novoselov, un des chercheurs russes. "Maintenant que nous avons démontré que ces cristaux existent et qu'ils sont stables, nous pouvons étudier leurs propriétés électroniques, optiques et mécaniques. C'est un tout nouveau type de matériaux, qui englobe des métaux, des isolants, des semi-conducteurs et probablement des matériaux magnétiques". Cette découverte permettra également aux modèles théoriques des matériaux 2D d'être testés. "Ce sont les matériaux très passionnants à étudier", ajoute Novoselov. "Nous pouvons analyser presque n'importe quelle propriété de la matière en deux dimensions".

Parmi les applications potentielles on trouve des transistors à effet de champ, des capteurs de gaz extrêmement sensibles, et divers dispositifs électromécaniques.

Légende de l'illustration: Cristaux simple couche de NbSe2 (a), graphite (b), Bi2Sr2CACu2Ox (c) et MoSé (d), visualisés au microscope à force atomique (a et b), microscope électronique (c) et microscope optique (d). Dans tous les cas la barre blanche représente un micron.