Un moyen simple d'assembler des semi-conducteurs complexes

L'empilement de films de matériaux extrêmement fins les uns sur les autres peut créer de nouveaux matériaux dotés de nouvelles propriétés intéressantes. Mais les processus les plus efficaces pour construire ces piles peuvent être fastidieux et imparfaits, et ne conviennent pas 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 plus rapide de le faire. Ils ont développé des couches 2D de l'un des matériaux les plus recherchés, connu sous le nom de pérovskites, entrelacées avec de fines couches d'autres matériaux dans de gros cristaux qui s'assemblent.

L'assemblage s'effectue dans des flacons où les ingrédients chimiques des couches dégringolent dans l'eau, ainsi que des molécules en forme d'haltère qui dirigent l'action. Chaque extrémité d'une barre porte un gabarit pour la croissance d'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.

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.

"Plutôt que de manipuler les matériaux une couche à la fois", a déclaré Karunadasa, "nous jetons simplement les ions dans un pot d'eau et laissons les ions s'assembler comme ils le souhaitent. Nous pouvons fabriquer des grammes de cette substance 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, c'est-à-dire le comportement de ses électrons."

Les pérovskites halogénées - des matériaux qui ont la même structure octaédrique que les minéraux pérovskites naturels - sont assemblées dans l'eau depuis les années 1900. 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 fonctionnent les photovoltaïques.

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, les 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 se révéleront 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 pelant 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 d'un ou deux atomes d'épaisseur est un travail spécialisé. ce n'est pas quelque chose que vous et moi pouvons simplement aller au laboratoire et faire. Ces feuilles sont comme un jeu de cartes très flexible; lorsque vous en sortez un, il peut se froisser ou se déformer. Il est donc difficile de connaître la structure exacte de la pile finale. Il y a très peu de précédents pour des matériaux qui ressemblent à ceux que nous avons créés dans cette étude."

Il a été découvert que ces couches atomiquement minces avaient la même structure que des blocs 3D de matériaux similaires dont les propriétés étaient déjà connues et que deux couches différentes devaient se déformer légèrement pour partager une interface.

La création des structures en couches est exactement le même processus que la fabrication de bonbons de roche, où vous déposez une cheville en bois dans une solution de sucre saturée et les cristaux de bonbon se sèment sur la cheville », a déclaré le chercheur Michael Aubrey. "Mais dans ce cas, les matières premières sont différentes 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, entrelacant des pérovskites avec des halogénures métalliques ou des sulfures métalliques et les a examinés avec des rayons X à l'Advanced Light