Imagerie des transformations structurelles dans les matériaux 2D

L’électronique à base de silicium approche de ses limites physiques et de nouveaux matériaux sont nécessaires pour répondre aux demandes technologiques actuelles. Les matériaux bidimensionnels (2D) possèdent un large éventail de propriétés, notamment la supraconductivité et le magnétisme, et sont des candidats prometteurs pour une utilisation dans les systèmes électroniques, tels que les transistors. Cependant, contrôler précisément les propriétés de ces matériaux est extrêmement difficile.

Dans le but de comprendre comment et pourquoi les interfaces 2D adoptent les structures qu’elles adoptent, des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont développé une méthode pour visualiser le réarrangement induit thermiquement des matériaux 2D, atome par atome, de tordu à structures alignées par microscopie électronique à transmission (TEM).

Ils ont observé un mécanisme nouveau et inattendu pour ce processus, dans lequel un nouveau grain était semé dans une monocouche, dont la structure était calquée sur la couche adjacente. Être capable de contrôler la torsion macroscopique entre les couches permet de mieux contrôler les propriétés de l’ensemble du système.

Cette recherchedirigé par le professeur de science et d’ingénierie des matériaux Pinshane Huang et le chercheur postdoctoral Yichao Zhang, a été récemment publié dans la revue Avancées scientifiques.

« La manière dont les interfaces de la bicouche s’alignent les unes sur les autres et par quel mécanisme elles se transforment en une configuration différente est très importante », explique Zhang. « Il contrôle les propriétés de l’ensemble du système bicouche, ce qui affecte à la fois son comportement à l’échelle nanométrique et microscopique. »

La structure et les propriétés des multicouches 2D sont souvent très hétérogènes et varient considérablement d’un échantillon à l’autre et même au sein d’un échantillon individuel. Deux appareils avec seulement quelques degrés de torsion entre les couches pourraient avoir un comportement différent. Les matériaux 2D sont également connus pour se reconfigurer sous l’effet de stimuli externes tels que le chauffage, qui se produit pendant le processus de fabrication des appareils électroniques.

« Les gens pensent généralement aux deux couches comme à deux feuilles de papier tordues à 45° l’une par rapport à l’autre. Pour que les couches passent de tordues à alignées, il suffit de faire pivoter l’ensemble du morceau de papier », explique Zhang. « Mais ce que nous avons découvert, en réalité, c’est qu’il possède un noyau – un domaine aligné localisé à l’échelle nanométrique – et ce domaine devient de plus en plus grand. Dans des conditions correctes, ce domaine aligné pourrait prendre en charge toute la taille de la bicouche. »

Bien que les chercheurs aient émis l’hypothèse que cela pourrait se produire, aucune visualisation directe à l’échelle atomique n’a prouvé ou infirmé cette théorie. Zhang et les autres chercheurs ont cependant pu suivre directement le mouvement des atomes individuels pour voir le petit domaine aligné se développer. Ils ont également observé que des régions alignées pouvaient se former à des températures relativement basses, ~200°C, dans la plage des températures de traitement typiques pour les appareils 2D.

Il n’existe pas de caméras suffisamment petites et suffisamment rapides pour capturer la dynamique atomique. Comment alors l’équipe a-t-elle pu visualiser ce mouvement atome par atome ? La solution est tout à fait unique. Ils ont d’abord encapsulé la bicouche torsadée dans du graphène, en construisant essentiellement une petite chambre de réaction autour d’elle, pour observer la bicouche à une résolution atomique lorsqu’elle était chauffée. L’encapsulation par le graphène aide à maintenir les atomes de la bicouche en place afin que toute transformation structurelle puisse être observée plutôt que le réseau soit détruit par les électrons de haute énergie du TEM.

La bicouche encapsulée a ensuite été placée sur une puce qui pouvait être chauffée et refroidie rapidement. Pour capturer la dynamique atomique rapide, l’échantillon a subi des impulsions thermiques d’une demi-seconde entre 100 et 1 000°C. Après chaque impulsion, l’équipe examinait où se trouvaient les atomes à l’aide du TEM, puis répétait le processus.

« Vous pouvez réellement observer le système à mesure qu’il change, à mesure que les atomes s’installent, de la configuration dans laquelle ils ont été initialement placés, à la configuration énergétiquement favorable dans laquelle ils veulent être », explique Huang. « Cela peut nous aider à comprendre à la fois la structure initiale telle qu’elle est fabriquée et comment elle évolue avec la chaleur. »

Comprendre comment se produit le réarrangement peut aider à ajuster l’alignement interfacial à l’échelle nanométrique. « Il est impossible de souligner à quel point les gens sont enthousiasmés par cette possibilité de réglage », déclare Huang.

« La torsion macroscopique entre les deux couches est un paramètre très important car lorsque vous faites pivoter l’une sur l’autre, vous pouvez réellement modifier les propriétés de l’ensemble du système. Par exemple, si vous faites pivoter le matériau graphène 2D selon un angle spécifique, il devient supraconducteur. Pour certains matériaux, si vous les faites pivoter, vous modifiez la bande interdite, ce qui modifie la couleur de la lumière qu’elle absorbe et l’énergie de la lumière qu’elle émet. Toutes ces choses que vous modifiez en modifiant l’orientation des atomes entre les couches.