Des chercheurs apportent une « nouvelle touche » au design classique des matériaux

Materials Science Crystals Art Concept

Une nouvelle étude révolutionnaire introduit une nouvelle structure cristalline multicouche tordue avec des implications potentielles pour les futurs matériaux en technologie, utilisant une nouvelle méthode de « épitaxie tordue » qui pourrait révolutionner les applications des semi-conducteurs et de l’électronique quantique.

Les scientifiques ont découvert que les cristaux peuvent se tordre lorsqu’ils sont coincés entre deux substrats – une étape cruciale pour explorer de nouvelles propriétés des matériaux pour l’électronique et d’autres applications.

Des chercheurs du Laboratoire National d’Accélération de Particules du Département de l’Énergie, de l’Université de Stanford et du Laboratoire National Lawrence Berkeley (LBNL) ont cultivé pour la première fois une nouvelle structure cristalline multicouche tordue et mesuré les propriétés clés de la structure. Cette structure innovante a le potentiel d’aider à la création de matériaux avancés pour des applications dans les cellules solaires, l’informatique quantique, les lasers et diverses autres technologies.

« Cette structure est quelque chose que nous n’avons jamais vue auparavant – cela a été une énorme surprise pour moi », a déclaré Yi Cui, professeur à Stanford et à SLAC et co-auteur de l’article. « Une nouvelle propriété électronique quantique pourrait apparaître dans cette structure tordue à trois couches lors d’expériences futures. »

Ajouter des couches, avec une torsion

Les cristaux conçus par l’équipe étendaient le concept d’épitaxie, un phénomène qui se produit lorsqu’un type de matériau cristallin pousse sur un autre matériau de manière ordonnée – un peu comme faire pousser une pelouse soignée sur du sol, mais à l’échelle atomique. Comprendre la croissance épitaxiale a été crucial pour le développement de nombreuses industries depuis plus de 50 ans, en particulier l’industrie des semi-conducteurs. En effet, l’épitaxie fait partie de nombreux appareils électroniques que nous utilisons aujourd’hui, des téléphones portables aux ordinateurs en passant par les panneaux solaires, permettant à l’électricité de circuler, ou non, à travers eux.

Jusqu’à présent, la recherche sur l’épitaxie s’est concentrée sur la croissance d’une couche de matériau sur une autre, et les deux matériaux ont la même orientation cristalline à l’interface. Cette approche a été couronnée de succès depuis des décennies dans de nombreuses applications, comme les transistors, les diodes électroluminescentes, les lasers et les dispositifs quantiques. Mais pour trouver de nouveaux matériaux qui performeraient encore mieux pour des besoins plus exigeants, comme l’informatique quantique, les chercheurs recherchent d’autres conceptions épitaxiales – celles qui pourraient être plus complexes, mais offriraient de meilleures performances, d’où le concept de « épitaxie tordue » démontré dans cette étude.

Dans leur expérience, récemment détaillée dans un article publié dans Science, les chercheurs ont ajouté une couche d’or entre deux feuilles d’un matériau semi-conducteur traditionnel, le disulfure de molybdène (MoS2). Comme les feuilles supérieure et inférieure étaient orientées différemment, les atomes d’or ne pouvaient pas s’aligner simultanément avec les deux, ce qui a permis à la structure Au de se tordre, a déclaré Yi Cui, étudiant diplômé en science et ingénierie des matériaux à Stanford et co-auteur de l’article.

« Avec seulement une couche inférieure de MoS2, l’or est heureux de s’aligner avec elle, donc aucune torsion ne se produit », a déclaré Cui, l’étudiant diplômé. « Mais avec deux feuilles de MoS2 tordues, l’or n’est pas sûr de s’aligner avec la couche supérieure ou inférieure. Nous avons réussi à aider l’or à résoudre sa confusion et avons découvert une relation entre l’orientation de l’or et l’angle de torsion du MoS2 bicouche. »

Zapper les nanodisques d’or

Pour étudier en détail la couche d’or, l’équipe de recherche de l’Institut Stanford pour les sciences des matériaux et de l’énergie (SIMES) et du LBNL a chauffé un échantillon de toute la structure à 500 degrés Celsius. Ensuite, ils ont envoyé un flux d’électrons à travers l’échantillon en utilisant une technique appelée microscopie électronique en transmission (TEM), qui a révélé la morphologie, l’orientation et la contrainte des nanodisques d’or après recuit à différentes températures. Mesurer ces propriétés des nanodisques d’or était une première étape nécessaire pour comprendre comment la nouvelle structure pourrait être conçue pour des applications réelles à l’avenir.

« Sans cette étude, nous ne saurions pas si le fait de tordre une couche épitaxiale de métal sur un semiconducteur était même possible », a déclaré Cui, l’étudiant diplômé. « Mesurer la structure complète à trois couches avec la microscopie électronique a confirmé que ce n’était pas seulement possible, mais aussi que la nouvelle structure pouvait être contrôlée de manière passionnante. »

Les chercheurs veulent maintenant étudier plus en détail les propriétés optiques des nanodisques d’or en utilisant la microscopie électronique en transmission et savoir si leur conception modifie les propriétés physiques telles que la structure de bande de Au. Ils veulent également étendre ce concept pour essayer de construire des structures à trois couches avec d’autres matériaux semi-conducteurs et d’autres métaux.

« Nous commençons à explorer si seulement cette combinaison de matériaux le permet ou si cela se produit de manière plus générale », a déclaré Bob Sinclair, professeur Charles M. Pigott à l’école de science et d’ingénierie des matériaux de Stanford et co-auteur de l’article. « Cette découverte ouvre tout un ensemble de nouvelles expériences que nous pouvons essayer. Nous pourrions être en passe de trouver de toutes nouvelles propriétés des matériaux que nous pourrions exploiter. »

Référence : « Épitaxie tordue de nanodisques d’or cultivés entre des couches de substrat tordues de disulfure de molybdène » par Yi Cui, Jingyang Wang, Yanbin Li, Yecun Wu, Emily Been, Zewen Zhang, Jiawei Zhou, Wenbo Zhang, Harold Y. Hwang, Robert Sinclair et Yi Cui, 11 janvier 2024, Science.
DOI : 10.1126/science.adk5947