Nanosheets cristallins multicouches débloquent des propriétés électroniques ajustables

Le bore est un élément non-métallique polyvalent, mais jusqu'aux cinq dernières années, les chimistes n'ont fait que théoriser sur les propriétés utiles et applications des matériaux bidimensionnels (2D) contenant du bore. Un groupe dirigé par des chercheurs de l'Université de Tsukuba a maintenant donné vie à la théorie en préparant les premiers nanosheets de monosulfure de bore (BS) 2D qui peuvent être manipulés couche par couche pour contrôler leurs propriétés électroniques.

Les surfaces intrinsèquement grandes et les états électroniques diversifiés des matériaux 2D en font de bons candidats pour des applications dans les batteries et autres dispositifs. De plus, combiner des blocs de construction 2D en matériaux novateurs peut permettre un contrôle accru sur leurs fonctionnalités. Des études computationnelles précédentes avaient suggéré que le BS pourrait adopter plusieurs structures 2D stables avec des propriétés uniques. Par conséquent, les chercheurs ont fabriqué un matériau massique bore:sulfure 1:1, qui avait une structure cristalline rhomboédrique (un losange tridimensionnel) (r-BS), puis ont retiré des nanocouches individuelles (2D BS), qui ont maintenu l'arrangement cristallin du matériau original.

« Notre analyse a confirmé ce que nos propres calculs avaient prédit », dit le chef du groupe de recherche, le professeur Takahiro Kondo. « C'est-à-dire que les nanosheets BS avaient une énergie de bande interdite différente du matériau massique, et important, la bande interdite pouvait être ajustée en fonction du nombre de feuilles 2D BS empilées. »

La capacité à conduire un courant électrique est liée à l'énergie de bande interdite d'un matériau, c'est donc une propriété clé liée aux applications potentielles de dispositifs électroniques. Les chercheurs ont trouvé que l'énergie de bande interdite d'un nanosheet BS unique était relativement grande, mais diminuait successivement à mesure qu'ils ajoutaient une ou deux couches nanosheet supplémentaires. L'énergie de bande interdite de la pile a finalement atteint le niveau du r-BS massique après qu'environ cinq feuilles ont été assemblées.

« Cette caractéristique et la masse effective légère des électrons des nanosheets BS indiquaient qu'ils pourraient potentiellement servir de matériaux semi-conducteurs de type n avec une haute conductivité », a dit Kondo, « ce qui les rend uniques parmi les autres matériaux 2D contenant du bore connus qui n'ont pas de bandes interdites. »

En raison de leurs structures de bande interdite distinctes, les électrodes composées de r-BS ou 2D BS ont réagi à différentes longueurs d'onde de lumière. Le r-BS nécessitait une irradiation de basse énergie (lumière visible) pour conduire un courant et présenter un comportement photocatalytique, tandis que la bande interdite plus grande du 2D BS n'était active que sous une lumière ultraviolette de plus haute énergie.

En effet, le bore est loin d'être ennuyeux ! Ces phénomènes induits par la lumière ont mis en évidence le fait que les matériaux de monosulfure de bore 2D peuvent être appliqués dans des dispositifs photocatalytiques ou électroniques, et important, leurs propriétés peuvent être ajustées selon les besoins en contrôlant le nombre de nanosheets.