Un moyen simple d’assembler des semi-conducteurs complexes —

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  • L’empilement de films de matériau extrêmement minces les uns sur les autres peut créer de nouveaux matériaux dotés de nouvelles propriétés passionnantes. Mais les processus les plus réussis pour construire ces piles peuvent être fastidieux et imparfaits, et pas bien adaptés à une production à grande échelle.

    Maintenant, une équipe dirigée par le professeur de Stanford Hemamala Karunadasa a créé un moyen beaucoup plus simple et rapide de le faire. Ils ont fait croître des couches 2D de l’un des matériaux les plus recherchés, les pérovskites, entrelacées de fines couches d’autres matériaux dans de gros cristaux qui s’assemblent.

    L’assemblage a lieu dans des flacons où les ingrédients chimiques des couches culbutent dans l’eau, ainsi que des molécules en forme d’haltères qui dirigent l’action. Chaque extrémité d’une barre porte un modèle pour faire croître un type de couche. Au fur et à mesure que les couches se cristallisent – un processus similaire à la fabrication de bonbons de roche – les haltères les relient automatiquement dans le bon ordre.

    “Ce qui est vraiment cool, c’est que ces matériaux stratifiés complexes se cristallisent spontanément”, a déclaré Michael Aubrey, qui était chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Karunadasa au moment de l’étude.

    Les chercheurs affirment que leur méthode jette les bases de la fabrication d’un large éventail de semi-conducteurs complexes de manière beaucoup plus délibérée, y compris des combinaisons de matériaux qui n’étaient pas connus pour s’apparier dans des cristaux auparavant. Ils ont décrit le travail dans un article publié dans La nature aujourd’hui.

    “Nous sommes ravis de cette stratégie générale qui peut être étendue à tant de types de matériaux”, a déclaré Karunadasa, chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie.

    “Plutôt que de manipuler les matériaux une couche à la fois”, a-t-elle déclaré, “nous jetons simplement les ions dans une casserole d’eau et laissons les ions s’assembler comme ils le souhaitent. Nous pouvons en fabriquer des grammes, et nous savons où se trouvent les atomes dans les cristaux. Ce niveau de précision me permet de savoir à quoi ressemblent réellement les interfaces entre les couches, ce qui est important pour déterminer la structure électronique du matériau – comment ses électrons se comportent “

    Facile à faire, difficile à empiler

    Les pérovskites aux halogénures – des matériaux qui ont la même structure octaédrique que les minéraux pérovskites naturels – sont assemblées dans l’eau depuis les années 1900, a déclaré Aubrey. Ils ont beaucoup de potentiel pour absorber efficacement la lumière du soleil dans les cellules solaires et la convertir en électricité, mais ils sont également notoirement instables, en particulier dans les environnements chauds et brillamment éclairés dans lesquels le photovoltaïque fonctionne.

    La superposition de pérovskites avec d’autres matériaux pourrait combiner leurs propriétés de manière à améliorer leurs performances dans des applications spécifiques. Mais une perspective encore plus excitante est que des propriétés entièrement nouvelles et inattendues pourraient émerger aux interfaces où les couches se rencontrent ; par exemple, des scientifiques ont déjà découvert que l’empilement de couches minces de deux types différents d’isolants peut créer un conducteur électrique.

    Il est difficile de prédire quelles combinaisons de matériaux s’avéreront intéressantes et utiles. De plus, la fabrication de matériaux en couches minces a été un processus lent et minutieux. Les couches sont généralement fabriquées en décollant des films d’un ou deux atomes d’épaisseur, un à la fois, à partir d’un plus gros morceau de matériau. C’est ainsi que le graphène est fabriqué à partir de graphite, une forme pure de carbone utilisée dans les mines de crayon. Dans d’autres cas, ces matériaux en couches minces sont fabriqués en petits lots à des températures très élevées.

    “La façon dont ils sont fabriqués n’a pas été évolutive et parfois même difficile à reproduire d’un lot à l’autre”, a déclaré Karunadasa. « Décoller des couches qui ne font qu’un ou deux atomes d’épaisseur est un travail spécialisé ; ce n’est pas quelque chose que vous et moi pouvons simplement aller dans le laboratoire et faire. Ces feuilles sont comme un jeu de cartes très flexible ; lorsque vous en retirez une, elle peut se froisser ou se déformer. Il est donc difficile de connaître la structure exacte de la pile finale. Il existe très peu de précédents pour des matériaux qui ressemblent à ceux que nous avons créés dans cette étude.

    Synthèse des bonbons rock

    Ce travail est né des recherches du co-auteur de l’étude Abraham Saldivar Valdes, un étudiant diplômé du groupe de Karunadasa à l’époque. Au cours de plusieurs années, il a développé la nouvelle méthode pour amener les structures en couches à s’assembler, qui a été encore développée par l’étudiante diplômée Bridget Connor. Pendant ce temps, Aubrey a découvert que leurs couches atomiquement minces avaient la même structure que des blocs 3D de matériaux similaires dont les propriétés étaient déjà connues, et il a suivi comment les deux couches différentes doivent se déformer légèrement pour partager une interface. Il a également étudié les propriétés optiques des produits finaux avec l’aide de l’étudiant diplômé Kurt Lindquist.

    La création des structures en couches “est exactement le même processus que la fabrication de bonbons de roche, où vous déposez un goujon en bois dans une solution de sucre saturée et les cristaux de bonbons se déposent sur le goujon”, a déclaré Aubrey. “Mais dans ce cas, les matériaux de départ sont différents et vous n’avez pas besoin d’un goujon – des cristaux commenceront à se former dans l’eau ou à la surface du flacon en verre.”

    L’équipe a fabriqué six des matériaux auto-assemblés, en entrelaçant des pérovskites avec des halogénures métalliques ou des sulfures métalliques, et les a examinés avec des rayons X à la source lumineuse avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE.

    Dans la plupart des structures, les molécules d’haltères maintenaient les couches légèrement écartées. Mais dans l’un d’eux, les molécules d’haltères ont mis les couches directement en contact les unes avec les autres afin qu’elles puissent former des liaisons chimiques.

    “Nous sommes particulièrement enthousiasmés par ce type de structure où les couches sont connectées, car cela pourrait conduire à des propriétés émergentes, telles que des excitations électroniques réparties sur les deux couches”, a déclaré Karunadasa.

    “Et dans ce cas particulier, lorsque nous frappons le matériau avec de la lumière pour libérer des électrons et créons des trous chargés positivement, nous avons trouvé les électrons principalement dans un type de couche et les trous principalement dans l’autre. C’est important dans notre domaine, car il vous permet de régler ces deux environnements pour obtenir le comportement électronique que vous souhaitez.”

    Avec la nouvelle technique en main, Aubrey a déclaré: “Nous faisons beaucoup d’exploration maintenant pour découvrir quels types de structures peuvent être faites avec.”

    Marina Filip et Jeffrey Neaton de l’Université de Californie, Berkeley et Berkeley Lab ont effectué les calculs de structure électronique dans ce travail. Cette recherche a été financée par le DOE Office of Science. L’ALS est une installation utilisateur de l’Office of Science, tout comme deux autres installations où l’informatique a été effectuée pour cette recherche : le National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) et l’Oak Ridge Leadership Computing Facility.

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