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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 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 – une forme de carbone constituée d'une seule couche monoatomique, en 2003, de nombreux autres matériaux 2D ont été mis en évidence dans les laboratoires: h-BN (nitrure de bore 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, 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, tandis que ceux du MIT se sont spécialisés dans les chalcogénures de métaux de transition (WS2 MoS2, WSe2, MoSe2). Ils ont montré ensemble, dans un article publié dans Science(1), qu'en recouvrant le matériau initial d'une couche de nickel il est possible de "décoller" une monocouche de ce matériau. La méthode joue sur les différences de forces de liaison entre les couches. Ensuite, les chercheurs ont pu réaliser un transistor à effet de champ, en empilant sur un wafer des monocouches de h-BN et de MoS2. L'opération complète est réalisée en une 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 du Texas, de l'Université Yonsei en Corée du Sud 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, du Laboratoire de recherche de la marine américaine US Naval 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 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.
Contact communication INSIS :
insis.communication(at)cnrs.fr
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