La troisième dimension pourrait être responsable d’empêcher l’électronique de devenir plus fine, plus petite et plus flexible, selon une collaboration internationale qui a développé un moyen de fabriquer de nouveaux matériaux semi-conducteurs bidimensionnels idéalisés. Ils ont publié leur approche le 3 juin dans Nano-recherche.
Les chercheurs, dirigés par Lin Zhou, professeur agrégé de chimie à l’Université Jiao Tong de Shanghai en Chine, se sont concentrés sur l’arséniure d’indium (InAs), un semi-conducteur à bande interdite étroite avec des propriétés utiles pour l’électronique à haute vitesse et les photodétecteurs infrarouges très sensibles. Contrairement à la plupart des matériaux 2D existants avec des structures en couches, le problème, a déclaré Zhou, est que InAs a généralement une structure en treillis 3D, ce qui rend difficile la transformation en films 2D ultrafins pour les applications électroniques et optoélectroniques avancées.
« La croissance de grands matériaux 2D non stratifiés ultrafins a été un grand défi, mais qui mérite d’être résolu. Grâce à sa grande mobilité et à sa bande interdite réglable, l’InAs 2D pourrait être un matériau essentiel pour la nanoélectronique haute performance de nouvelle génération. , la nano-photonique et les dispositifs quantiques », a déclaré Zhou. « Il présente les avantages des deux InA, tels qu’une mobilité élevée des porteurs, une taille de bande interdite petite et directe, et les matériaux 2D, qui ont une nature ultra-mince adaptée aux appareils de petite taille, sont flexibles et transparents. » Ce travail fournit également une voie prometteuse pour élargir davantage le groupe de semi-conducteurs 2D en incorporant des matériaux avec des structures non stratifiées.
Les chercheurs ont profité d’une faible attraction atomique connue sous le nom de force de van der Waals dans la croissance de l’épitaxie. La force décrit comment les molécules neutres peuvent se connecter les unes aux autres, tandis que l’épitaxie consiste à appliquer une couche d’un matériau sur un substrat cristallin. En utilisant du mica atomiquement plat, qui est naturellement stratifié, comme substrat, les chercheurs ont développé une fine couche d’InAs. Les molécules du substrat de mica et les molécules de l’InAs sont mutuellement suffisamment attirées pour se connecter, empêchant l’InAs de se développer en un réseau 3D. De plus, la croissance de van der Waals garantit des dislocations sans contrainte et sans inadéquation dans les InA 2D tels que développés. L’InAs peut être incroyablement mince avec les propriétés souhaitées.
Zhou a également noté que l’InAs et le substrat ne se lient pas de manière covalente, ils peuvent donc être séparés et le substrat réutilisé, ce qui rend le processus de synthèse plus rentable.
« Nous avons également découvert que nous pouvions ajuster les propriétés de l’InAs 2D en modifiant l’épaisseur du matériau en raison de l’effet de confinement quantique », a déclaré Zhou. « L’InAs 2D est facile à adapter pour obtenir les propriétés souhaitées et s’intégrer à d’autres composés. En plus de manipuler l’épaisseur pendant la synthèse, nous pouvons également empiler des InAs 2D avec d’autres matériaux 2D pour former des hétérojonctions pour des performances multifonctionnelles, ce qui leur confère des avantages significatifs dans électronique et photovoltaïque. »
Le matériau InAs 2D final prend la forme de flocons triangulaires d’environ cinq nanomètres d’épaisseur. C’est environ 0,0007 de la taille d’un seul globule rouge. Plus le matériau est petit, plus les appareils qu’il comprendra seront petits, a déclaré Zhou.
« Avant ces travaux, aucun InAs 2D de haute qualité – c’est-à-dire moins de 10 nanomètres d’épaisseur – n’avait été signalé, et encore moins une synthèse évolutive de monocristaux d’InAs 2D avec des propriétés optiques et électroniques uniques », a déclaré Zhou. « Notre travail ouvre la voie à la miniaturisation des dispositifs et des intégrations basés sur InAs. »
Ensuite, Zhou a déclaré que l’équipe explorera un nouveau semi-conducteur 2D pour se développer dans le but ultime de réaliser une synthèse évolutive de matériaux 2D de haute qualité sur de grandes surfaces pour des applications multifonctionnelles.
Jiuxiang Dai et al, Croissance contrôlée de monocristaux d’InAs bidimensionnels via l’épitaxie de van der Waals, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4543-8
Fourni par Tsinghua University Press