Une nouvelle étude révolutionnaire présente une structure cristalline multicouche torsadée avec des implications potentielles pour les futurs matériaux technologiques, en tirant parti d’une nouvelle méthode « d’épitaxie torsadée » qui pourrait révolutionner les applications des semi-conducteurs et l’électronique quantique.
Les scientifiques ont découvert que les cristaux peuvent se tordre lorsqu’ils sont pris en sandwich entre deux substrats – une étape cruciale vers l’exploration de nouvelles propriétés matérielles pour l’électronique et d’autres applications.
Des chercheurs du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie, de l’université de Stanford et du laboratoire national Lawrence Berkeley (LBNL) ont développé pour la première fois une structure cristalline multicouche torsadée 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 quantiquelasers et diverses autres technologies.
« Cette structure est quelque chose que nous n’avions jamais vu auparavant – cela a été une énorme surprise pour moi », a déclaré Yi Cui, professeur à Stanford et au SLAC et co-auteur de l’article. « Une nouvelle propriété électronique quantique pourrait apparaître au sein de cette structure torsadée à trois couches lors d’expériences futures. »
Ajouter des calques, avec une touche d’originalité
Les cristaux conçus par l’équipe ont étendu le concept d’épitaxie, un phénomène qui se produit lorsqu’un type de matériau cristallin se développe de manière ordonnée sur un autre matériau – un peu comme si une pelouse soignée se développait au-dessus du sol, mais au niveau atomique. Comprendre la croissance épitaxiale est essentiel au développement de nombreuses industries depuis plus de 50 ans, en particulier celle 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 en 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 est efficace depuis des décennies dans de nombreuses applications, telles que les transistors, les diodes électroluminescentes, les lasers et les dispositifs quantiques. Mais pour trouver de nouveaux matériaux encore plus performants pour des besoins plus exigeants, comme l’informatique quantique, les chercheurs recherchent d’autres conceptions épitaxiales – celles qui pourraient être plus complexes, mais plus performantes, d’où le concept « d’épitaxie torsadée » démontré dans cette étude.
Dans leur expérience, récemment détaillée dans un article publié dans Scienceles chercheurs ont ajouté une couche d’or entre deux feuilles d’un matériau semi-conducteur traditionnel, le bisulfure de molybdène (MoS2). Parce que les feuilles supérieure et inférieure étaient orientées différemment, les atomes d’or ne pouvaient pas s’aligner simultanément sur les deux, ce qui permettait à la structure Au de se tordre, a déclaré Yi Cui, étudiant diplômé du professeur Cui en science et ingénierie des matériaux à Stanford et co-auteur de l’article. .
« Avec seulement un MoS inférieur2 couche, l’or est heureux de s’aligner avec elle, donc aucune torsion ne se produit », a déclaré Cui, l’étudiant diplômé. « Mais avec deux MoS tordus2 feuilles, 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 Au et l’angle de torsion du MoS bicouche.2.»
Zapping des nanodisques d’or
Pour étudier la couche d’or en détail, l’équipe de recherche de l’Institut des sciences des matériaux et de l’énergie de Stanford (SIMES) et du LBNL a chauffé un échantillon de la structure entière à 500 degrés. Celsius. Ensuite, ils ont envoyé un flux d’électrons à travers l’échantillon à l’aide d’une technique appelée microscopie électronique à transmission (TEM), qui a révélé la morphologie, l’orientation et la déformation 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 s’il était possible de tordre une couche épitaxiale de métal sur un semi-conducteur », a déclaré Cui, l’étudiant diplômé. « La mesure de la structure complète à trois couches par microscopie électronique a confirmé que c’était non seulement possible, mais aussi que la nouvelle structure pouvait être contrôlée de manière passionnante. »
Ensuite, les chercheurs souhaitent étudier plus en détail les propriétés optiques des nanodisques d’or à l’aide de TEM et savoir si leur conception modifie les propriétés physiques telles que la structure de bande de l’Au. Ils souhaitent également étendre ce concept pour tenter de construire des structures à trois couches avec d’autres matériaux semi-conducteurs et d’autres métaux.
« Nous commençons à déterminer si seule cette combinaison de matériaux permet cela ou si cela se produit plus largement », 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 une toute nouvelle série d’expériences que nous pouvons tenter. Nous pourrions être sur la bonne voie pour découvrir de toutes nouvelles propriétés matérielles que nous pourrions exploiter.
