Des techniques pour manipuler des matériaux 2D et créer de nouveaux composants
Publié par Redbran le 23/01/2019 à 14:00
Source: CNRS INSIS
L'unité mixte internationale GeorgiaTech-CNRS, en collaboration avec une équipe du MIT, a mis au point deux méthodes permettant de créer et de manipuler des matériaux 2D, constitués d'une seule couche d'atomes. Ces résultats, qui ouvrent la voie à la création de nouveaux composants photoniques et électroniques, ont été publiés dans les revues 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...) et Nature Materials.


© GeorgiaTech-CNRS
Hétérostructures 2D réalisées avec des méthodes de transfert par voie sèche et humide et spectres PL représentatifs de toutes les différentes structures réalisées par différentes méthodes. (b) Structures de transistors à base d'hétérostructures 2D réalisées avec des méthodes de transfert par voie sèche et les caractéristiques ainsi que les cartographies de I(V) du FET à base de MoS2/h-BN.

Depuis la découverte du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) – une forme de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) constituée d'une seule couche monoatomique, en 2003, de nombreux autres matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) 2D ont été mis en évidence dans les laboratoires: h-BN (nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) hexagonal), WS2 (disulfure de tungstène), MoS2 (disulfure de molybdène), etc. Leurs propriétés photoniques et électroniques suggèrent de les utiliser pour créer de nouveaux composants. Mais le défi est de réussir à fabriquer et isoler ces matériaux monocouches, puis de les assembler pour former des structures inédites. Des chercheurs de l'Unité mixte internationale GeorgiaTech-CNRS (CNRS/Georgia Institute of Technology/Georgia Tech Lorraine), en collaboration avec une équipe du MIT, ont exploré deux voies permettant de réaliser ces nouvelles structures, qui pourront à terme être intégrées dans des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur...), des cellules solaires, des composants électroniques, etc.

Les chercheurs du laboratoire GeorgiaTech-CNRS ont développé une technique de croissance du h-BN sur des wafers de 5 cm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la...), tandis que ceux du MIT se sont spécialisés dans les chalcogénures de métaux de transition (WS2 MoS2, WSe2, MoSe2). Ils ont montré ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...), dans un article publié dans Science(1), qu'en recouvrant le 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...) initial d'une couche de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) il est possible de "décoller" une monocouche de ce matériau. La méthode joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) sur les différences de forces de liaison entre les couches. Ensuite, les chercheurs ont pu réaliser un transistor à effet de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:), en empilant sur un wafer des monocouches de h-BN et de MoS2. L'opération complète est réalisée en une heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure...).

Dans un autre article, publié cette fois dans Nature Materials, la même équipe(2) a démontré l'efficacité d'une méthode de production de matériaux semiconducteurs ultra-minces, qui repose sur l'épitaxie "à distance" (remote epitaxy). Elle consiste à interposer, entre le substrat et la couche semiconductrice que l'on fait croître par épitaxie, une couche de matériaux 2D qui se comporte comme un pseudo-substrat transparent: la structure cristalline de la nouvelle couche copie celle du substrat, comme si la couche intermédiaire de matériau 2D n'existait pas. L'avantage est que le nouveau film semiconducteur peut être facilement séparée du substrat. Celui-ci, qui est coûteux, peut donc être réutilisé. Les chercheurs du MIT avaient réalisé cette opération avec du graphène. L'étude menée avec le laboratoire GeorgiaTech-CNRS a permis de comprendre ce phénomène de "remote epitaxy" et de le généraliser à d'autres matériaux 2D. Elle ouvre un grand champ d'applications pour des films flexibles ultra-minces fabriqués à partir d'une grande variété de matériaux semi-conducteurs. De tels films ultra-minces pourraient potentiellement être empilés les uns sur les autres pour produire de minuscules dispositifs souples, tels que des capteurs portables, des cellules solaires flexibles, etc.


© GeorgiaTech-CNRS
La figure illustre le principe de la croissance épitaxiale “à distance” à travers des matériaux bidimensionnels.

Notes:
(1) avec des collaborateurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) du Texas, de l'Université Yonsei en Corée du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) et de l'Université de Virginie.
(2) avec des chercheurs de l'Université Yonsei, de l'Université de Virginie, de l'Université du Texas à Dallas (Pour le feuilleton, voir Dallas (feuilleton télévisé).), du Laboratoire de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) de la marine américaine US Naval (Naval est une municipalité de la province de Biliran sur l'île de Biliran aux Philippines.) et de l'Ohio State University.


Références:

Controlled crack propagation for atomic precision handling of wafer-scale two-dimensional materials,
J. Shim, S.-H. Bae, W. Kong, D. Lee, K. Qiao, D. Nezich, Y. Ju Park, R. Zhao, S. Sundaram, X. Li, H.Yeon, C. Choi, H. Kum, R. Yue, G. Zhou, Y. Ou, K. Lee, J. Moodera, X. Zhao, J.-H. Ahn, C. Hinkle, A. Ougazzaden, J. Kim.
Science, Vol. 362 (novembre 2018)
DOI: 10.1126/science.aat8126

Polarity governs atomic interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée...) through two-dimensional materials,
W. Kong, H. Li, K. Qiao, Y. Kim, K. Lee, Y. Nie, D. Lee, T. Osadchy, R. J Molnar, D. Kurt Gaskill, R. L. Myers-Ward, K. M. Daniels, Y. Zhang, S. Sundram, Y. Yu, S.-H. Bae, S. Rajan, Y. Shao-Horn, K. Cho, A. Ougazzaden, J. C. Grossman & J. Kim.
Nature Materials, Vol. 17 (octobre 2018)
DOI: 10.1038/s41563-018-0176-4

Contact chercheur:
Abdallah Ougazzaden - UMI GeorgiaTech - CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).

Contact communication INSIS :
insis.communication(at)cnrs.fr
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