Le domaine émergent de la valleytronique, qui exploite la préférence d’impulsion des électrons excités, ou excitons, dans une variété de dispositifs optoélectroniques, est étroitement lié à la fabrication de nouveaux matériaux 2D d’une épaisseur d’atomes seulement. Ce mois-ci, un groupe de chercheurs en valleytronics de l’Université Central South de Changsha, en Chine, a développé un tel matériau 2D qui améliore considérablement l’utilité de ces particules passionnantes.
Les détails de sa fabrication et une élucidation de ses propriétés sont décrits dans la revue Nano-recherche.
Dans le domaine de la science des matériaux, le terme matériaux 2D fait référence à des solides qui n’ont qu’une couche d’atomes d’épaisseur. Ceux-ci sont intéressants non seulement parce qu’ils sont très petits, mais parce que de nouvelles propriétés physiques apparaissent lorsqu’un matériau est aminci à cette seule couche atomique. Le matériau 2D le plus célèbre est peut-être le graphène, une seule couche d’atomes de carbone, qui possède des propriétés étonnantes très différentes des autres formes que prend le carbone lorsqu’il est en vrac (ou plus formellement, le «cristal en vrac»), y compris environ 200 fois plus solide que l’acier.
Mais il existe des centaines d’autres types de matériaux 2D, qui offrent à nouveau des propriétés très différentes de leur forme cristalline en vrac. L’un de ces matériaux 2D, le dichalcogénure de métal de transition, ou TMD, présente un intérêt particulier dans le monde de l’optoélectronique, la science et la technologie des dispositifs émettant et détectant la lumière. Sous-jacent à tous les dispositifs optoélectroniques se trouve l’effet photovoltaïque, ou la génération de courant électrique dans un matériau lorsqu’il est frappé par un faisceau de lumière, comme dans une cellule photovoltaïque dans un panneau solaire, et sa forme inverse, la production de lumière à partir de signaux électriques.
Une telle technologie dépend de matériaux qui sont des semi-conducteurs. Pour reprendre l’exemple de la cellule PV, lorsque la lumière frappe un semi-conducteur, cette énergie est suffisante pour exciter les électrons et faire sauter une « bande interdite » du niveau de valence d’un atome à son niveau de conduction – où ces électrons excités, ou plus simplement des excitons, peuvent maintenant circuler librement dans un courant électrique. En effet, la lumière a été transformée par cette propriété spéciale de bande interdite des semi-conducteurs en énergie électrique. Cette même propriété de bande interdite est ce qui permet aux transistors – constitués de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium – d’agir comme des interrupteurs marche / arrêt utilisés pour stocker des données sous forme de uns et de zéros, ou « bits » dans les ordinateurs.
Le graphène, un matériau 2D, un semi-métal, n’a pas de bande interdite. C’est un conducteur, pas un semi-conducteur. Des couches simples (« monocouches ») de TMD – constituées d’un atome de métal de transition tel que le molybdène ou le tungstène lié à un atome de la même colonne du tableau périodique que l’oxygène (les chalcogènes), tels que le soufre, le sélénium ou le tellure – font cependant avoir une bande interdite. Cela rend les TMD très intéressants pour la fabrication de transistors et autres dispositifs optoélectroniques.
Tout comme la monocouche d’un matériau a des propriétés différentes du même matériau sous forme de cristaux massifs, les matériaux 2D qui ont deux ou trois couches (bicouche ou tricouche) d’épaisseur peuvent avoir des propriétés différentes du même matériau sous forme monocouche. Et un matériau 2D multicouche composé de couches de deux ou plusieurs matériaux différents est appelé une hétérostructure, qui bénéficiera d’encore plus de différences dans ses propriétés.
Au sens strict, le terme exciton désigne à la fois l’électron et l’espace vide ou « trou » qu’il laisse derrière lui mais auquel il reste attiré et donc lié : une paire électron-trou. Parce que l’électron a une charge négative, on peut dire que le trou d’électron a une charge positive. Combinée, la paire électron-trou, ou exciton, est une « quasi-particule » électriquement neutre.
Les excitons dans les matériaux 2D favorisent également l’un des deux états de quantité de mouvement, en fonction de la polarisation de la lumière qui les a excités. Ces moments privilégiés sont souvent connus sous le nom de « vallées », car il faut beaucoup d’énergie pour déplacer un exciton d’un état de moment privilégié vers l’autre.
Cette nature binaire marche/arrêt de telles vallées d’excitons offre potentiellement une nouvelle façon de stocker un bit et d’effectuer des opérations logiques. Le domaine émergent de la « valleytronique », qui étudie ce phénomène, a explosé ces dernières années en raison de la gamme d’applications potentielles, y compris des opérations logiques incroyablement rapides et, peut-être un jour, l’informatique quantique à température ambiante de petite taille.
En règle générale, les excitons existent dans une couche de matériau 2D – un exciton intracouche. Mais il existe aussi un type exotique d’exciton intercouche, celui qui existe entre deux monocouches, l’électron et le trou étant situés dans des couches différentes. Ces excitons intercouches eux-mêmes ont diverses propriétés nouvelles et alléchantes, y compris des durées de vie nettement plus longues que leurs homologues intracouches, élargissant les applications dans les dispositifs d’excitons à longue durée de vie.
Les bicouches de TMD sont devenues ces dernières années particulièrement attrayantes pour les chercheurs en optoélectronique car elles sont particulièrement efficaces pour héberger ces excitons intercouches.
Mais les chercheurs de la Central South University pensaient qu’ils pouvaient faire mieux.
« La plupart des études sur les excitons TMD sont obsédées par les hétérostructures composées de deux TMD monocouches différents », a déclaré Yanping Liu, physicien et ingénieur spécialisé en valleytronics et auteur correspondant de l’article. « Mais notre intérêt était de concevoir une hétérostructure à trois couches avec un alignement de bande de type II. »
Comparé aux hétérostructures TMD bicouches avec alignement de bande de type II, l’alignement de bande tricouche de type II offre en principe une gamme d’améliorations d’efficacité, et les excitons intercouches devraient bénéficier d’une durée de vie encore plus longue, augmentant le potentiel d’application des TMD dans des dispositifs tels que les photodétecteurs , diodes électroluminescentes, lasers et photovoltaïques. Mais jusqu’à présent, les excitons intercouches n’avaient été observés que dans des hétérostructures TMD bicouches.
L’équipe a pu fabriquer une hétérostructure TMD tricouche (composée de molybdène et de soufre, de molybdène et de sélénium, et de tungstène et de sélénium), qu’elle a ensuite observée par spectroscopie de photoluminescence. Ils ont confirmé la présence d’excitons intercouches et décrit diverses propriétés et exigences du phénomène.
Après avoir fabriqué la nouvelle hétérostructure TMD, confirmé l’existence des excitons intercouches à longue durée de vie et largement catalogué les propriétés et les exigences, l’équipe doit maintenant étudier plus précisément la gamme d’applications potentielles de leur TMD dans les dispositifs optoélectroniques.
Biao Wu et al, Observation des excitons intercouches dans les hétérostructures de dichalcogénures de métaux de transition de type II à trois couches, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4580-3
Fourni par Tsinghua University Press