Alors que les dispositifs semi-conducteurs deviennent de plus en plus petits, les chercheurs explorent les matériaux bidimensionnels (2D) pour des applications potentielles dans les transistors et l’optoélectronique. Le contrôle du flux d’électricité et de chaleur à travers ces matériaux est essentiel à leur fonctionnalité, mais nous devons d’abord comprendre les détails de ces comportements à l’échelle atomique.
Maintenant, les chercheurs ont découvert que les électrons jouent un rôle surprenant dans la façon dont l’énergie est transférée entre les couches de matériaux semi-conducteurs 2D diséléniure de tungstène (WSe2) et disulfure de tungstène (WS2). Bien que les couches ne soient pas étroitement liées les unes aux autres, les électrons fournissent un pont entre elles qui facilite un transfert de chaleur rapide, ont découvert les chercheurs.
« Notre travail montre que nous devons aller au-delà de l’analogie des blocs Lego pour comprendre les empilements de matériaux 2D disparates, même si les couches ne sont pas fortement liées les unes aux autres », a déclaré Archana Raja, scientifique au Department of Energy’s Lawrence Berkeley. National Laboratory (Berkeley Lab), qui a dirigé l’étude. « Les couches apparemment distinctes, en fait, communiquent par des voies électroniques partagées, nous permettant d’accéder et éventuellement de concevoir des propriétés qui sont supérieures à la somme des parties. »
L’étude est parue récemment dans Nanotechnologie de la nature et combine des informations issues de mesures de température ultrarapides à l’échelle atomique et de calculs théoriques approfondis.
« Cette expérience a été motivée par des questions fondamentales sur les mouvements atomiques dans les jonctions à l’échelle nanométrique, mais les résultats ont des implications pour la dissipation d’énergie dans les appareils électroniques futuristes », a déclaré Aditya Sood, co-premier auteur de l’étude et actuellement chercheur à l’Université de Stanford. « Nous étions curieux de savoir comment les électrons et les vibrations atomiques se couplent lorsque la chaleur circule entre deux matériaux. En zoomant sur l’interface avec une précision atomique, nous avons découvert un mécanisme étonnamment efficace pour ce couplage. »
Un thermomètre ultrarapide à la précision atomique
Les chercheurs ont étudié des dispositifs constitués de monocouches empilées de WSe2 et WS2. Les appareils ont été fabriqués par le groupe de Raja à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, qui a perfectionné l’art d’utiliser du scotch pour décoller les monocouches cristallines des semi-conducteurs, chacune d’une épaisseur inférieure à un nanomètre. À l’aide de tampons en polymère alignés sous un microscope à empilement maison, ces couches ont été déposées les unes sur les autres et placées avec précision sur une fenêtre microscopique pour permettre la transmission des électrons à travers l’échantillon.
Dans des expériences menées au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie, l’équipe a utilisé une technique connue sous le nom de diffraction électronique ultrarapide (UED) pour mesurer les températures des couches individuelles tout en excitant optiquement les électrons uniquement dans la couche WSe2. L’UED a servi de « caméra électronique », capturant les positions des atomes dans chaque couche. En faisant varier l’intervalle de temps entre les impulsions d’excitation et de sondage par billionièmes de seconde, ils pourraient suivre l’évolution de la température de chaque couche indépendamment, en utilisant des simulations théoriques pour convertir les mouvements atomiques observés en températures.
« Ce que cette approche UED permet, c’est une nouvelle façon de mesurer directement la température au sein de cette hétérostructure complexe », a déclaré Aaron Lindenberg, co-auteur de l’étude à l’Université de Stanford. « Ces couches ne sont distantes que de quelques angströms, et pourtant nous pouvons sonder sélectivement leur réponse et, grâce à la résolution temporelle, nous pouvons sonder à des échelles de temps fondamentales comment l’énergie est partagée entre ces structures d’une nouvelle manière. »
Ils ont constaté que la couche WSe2 s’échauffait, comme prévu, mais à leur grande surprise, la couche WS2 s’est également chauffée en tandem, suggérant un transfert rapide de chaleur entre les couches. En revanche, lorsqu’ils n’excitaient pas les électrons dans le WSe2 et chauffaient l’hétérostructure à l’aide d’une couche de contact métallique à la place, l’interface entre WSe2 et WS2 transmettait très mal la chaleur, confirmant les rapports précédents.
« C’était très surprenant de voir les deux couches chauffer presque simultanément après la photoexcitation et cela nous a motivés à nous concentrer sur une compréhension plus profonde de ce qui se passait », a déclaré Raja.
Un « état de colle » électronique crée un pont
Pour comprendre leurs observations, l’équipe a utilisé des calculs théoriques, en utilisant des méthodes basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité pour modéliser le comportement des atomes et des électrons dans ces systèmes avec le soutien du Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM), un DOE financé par le Computational Materials Science Center au Berkeley Lab.
Les chercheurs ont effectué des calculs approfondis de la structure électronique de WSe2/WS2 2D en couches, ainsi que du comportement des vibrations du réseau dans les couches. Comme les écureuils traversant un couvert forestier, qui peuvent courir le long de chemins définis par des branches et parfois sauter entre eux, les électrons dans un matériau sont limités à des états et des transitions spécifiques (connus sous le nom de diffusion), et la connaissance de cette structure électronique fournit un guide pour interpréter le Résultats expérimentaux.
« À l’aide de simulations informatiques, nous avons exploré où l’électron d’une couche voulait initialement se disperser, en raison des vibrations du réseau », a déclaré Jonah Haber, co-premier auteur de l’étude et maintenant chercheur postdoctoral à la Division des sciences des matériaux du Berkeley Lab. « Nous avons découvert qu’il voulait se disperser dans cet état hybride – une sorte d' »état de colle » où l’électron traîne dans les deux couches en même temps. Nous avons une bonne idée de ce à quoi ressemblent ces états de colle maintenant et de leur sont les signatures et cela nous permet de dire avec une relative confiance que d’autres hétérostructures semi-conductrices 2D se comporteront de la même manière. »
Des simulations de dynamique moléculaire à grande échelle ont confirmé qu’en l’absence de « l’état de colle » des électrons partagés, la chaleur mettait beaucoup plus de temps à se déplacer d’une couche à l’autre. Ces simulations ont été réalisées principalement au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).
« Les électrons ici font quelque chose d’important : ils servent de ponts pour la dissipation de la chaleur », a déclaré Felipe de Jornada, co-auteur de l’Université de Stanford. « Si nous pouvons comprendre et contrôler cela, cela offre une approche unique de la gestion thermique dans les dispositifs à semi-conducteurs. »
Plus d’information:
Aditya Sood et al, Émission bidirectionnelle de phonons dans des hétérostructures bidimensionnelles déclenchées par transfert de charge ultrarapide, Nanotechnologie de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41565-022-01253-7