Technique révolutionnaire d'auto-assemblage pour semi-conducteurs complexes

L'empilement de films extrêmement minces de matériau les uns sur les autres peut créer de nouveaux matériaux avec de nouvelles propriétés passionnantes. Mais les processus les plus réussis pour construire ces empilements peuvent être fastidieux et imparfaits, et mal adaptés à la 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, connus sous le nom de pérovskites, intercalées avec de fines couches d'autres matériaux dans de grands cristaux qui s'assemblent eux-mêmes.

L'assemblage se produit dans des fioles où les ingrédients chimiques pour les couches tourbillonnent dans l'eau, avec des molécules en forme d'haltères qui dirigent l'action. Chaque extrémité d'un haltère porte un modèle pour faire croître un type de couche. Au fur et à mesure que les couches cristallisent — un processus similaire à la fabrication de bonbons de roche — les haltères les lient automatiquement ensemble dans l'ordre approprié.

Les chercheurs disent que leur méthode jette les bases pour fabriquer une large gamme de semi-conducteurs complexes d'une manière beaucoup plus délibérée, y compris des combinaisons de matériaux qui n'étaient pas connues pour s'associer dans des cristaux auparavant.

« Au lieu 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 veulent s'assembler. Nous pouvons faire des grammes de ce truc, et nous savons où sont les atomes dans les cristaux. Ce niveau de précision me permet de savoir à quoi ressemblent vraiment les interfaces entre les couches, ce qui est important pour déterminer la structure électronique du matériau — comment ses électrons se comportent. »

Les pérovskites halogénures — matériaux qui ont la même structure octaédrique que les minéraux de pérovskite naturels — ont été assemblées dans l'eau depuis les années 1900. Elles ont beaucoup de potentiel pour absorber efficacement la lumière du soleil dans les cellules solaires et la convertir en électricité, mais elles sont aussi notoirement instables, surtout dans les environnements chauds et brillamment éclairés où les photovoltaïques opèrent.

L'empilement de pérovskites avec d'autres matériaux pourrait combiner leurs propriétés de manière à améliorer leur performance 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 découvert précédemment que l'empilement de films 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 laborieux. Les couches sont généralement faites en pelant des films d'un ou deux atomes d'épaisseur, un à la fois, à partir d'un morceau plus gros de matériau. C'est comme ça que le graphène est fait 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 faits en petits lots à des températures très élevées.

« La façon dont ils sont faits n'a pas été évolutive et parfois même difficile à reproduire d'un lot à l'autre », a déclaré Karunadasa. « Peler des couches d'un ou deux atomes d'épaisseur est un travail spécialisé ; ce n'est pas quelque chose que vous et moi pouvons juste aller au laboratoire et faire. Ces feuilles sont comme un jeu de cartes très flexible ; quand vous en sortez une, elle peut se froisser ou se plier. Donc, il est 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 doivent 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 trempez une tige en bois dans une solution de sucre saturée et les cristaux de bonbon s'amorcent sur la tige », a dit le chercheur Michael Aubrey. « Mais dans ce cas, les matériaux de départ sont différents et vous n'avez pas besoin de tige — les cristaux commenceront à se former dans l'eau ou sur la surface de la fiole en verre. »

L'équipe a fabriqué six des matériaux auto-assemblés, intercalant des pérovskites avec des halogénures métalliques ou des sulfures métalliques et les a examinés avec des rayons X à l'Advanced Light