Lorsque les matériaux en couches 2D sont rendus plus minces (c’est-à-dire à l’échelle atomique), leurs propriétés peuvent changer radicalement, entraînant parfois l’émergence de fonctionnalités entièrement nouvelles et la perte d’autres. Bien que des propriétés nouvelles ou émergentes puissent être très avantageuses pour le développement de nouvelles technologies, il est souvent tout aussi important de conserver certaines des propriétés originales du matériau.
Des chercheurs de l’Université de Tsinghua, de l’Académie chinoise des sciences et du Frontier Science Center for Quantum Information ont récemment été en mesure de réaliser une supraconductivité d’Ising sur mesure dans un échantillon de diséléniure de niobium en vrac intercalé (NbSe2), une caractéristique du NbSe2 en vrac qui est généralement compromise dans l’atome. couches minces. Les méthodes qu’ils ont utilisées, décrites dans un article publié dans Physique naturellepourrait ouvrir la voie à la fabrication de matériaux supraconducteurs en couches minces 2D.
« Les matériaux 2D atomiquement minces présentent des propriétés intéressantes qui sont souvent distinctes de leurs matériaux en vrac, qui se composent de centaines et de milliers de couches », a déclaré Shuyun Zhou, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. « Cependant, les films/flocons atomiquement minces sont difficiles à fabriquer, et les nouvelles propriétés émergentes sont parfois obtenues en sacrifiant certaines autres propriétés importantes. »
Zhou et ses collègues tentent d’identifier des méthodes expérimentales pour obtenir de nouvelles propriétés comparables à des échantillons atomiquement minces sans perdre aucune propriété matérielle vitale depuis quelques années maintenant. Dans leur étude récente, ils ont spécifiquement évalué l’efficacité de l’intercalation électrochimique, une stratégie précieuse pour régler les propriétés électroniques des matériaux solides en couches.
« Le matériau en vrac est immergé dans le liquide ionique, qui se compose de cations et d’anions », a expliqué Zhou. « De tels liquides ioniques ont été largement utilisés pour injecter des électrons dans des échantillons à quelques couches, tandis que les ions restent dans le liquide. Nous avons découvert qu’en appliquant une tension négative plus élevée, les cations organiques de grande taille peuvent être entraînés dans le van der Espace de Waals (l’espace vide entre les couches actives, les couches de NbSe2 dans ce cas), formant des matériaux hybrides. »
Dans leurs expériences, Zhou et ses collègues ont découvert que l’intercalation est une stratégie efficace pour contrôler à la fois la dimensionnalité et la concentration en porteurs de leur échantillon en couches NbSe2. En utilisant cette stratégie, ils ont pu atteindre une supraconductivité d’Ising adaptée qui dépassait à la fois celle observée dans les cristaux de NbSe2 en vrac et les échantillons de NbSe2 monocouche, mais dans un échantillon de NbSe2 en vrac intercalé.
Essentiellement, les stratégies d’intercalation consistent en l’immersion d’un matériau en vrac dans un liquide ionique et l’application ultérieure d’une tension électrique. Ce processus entraîne une augmentation de l’espacement entre les couches actives d’un matériau en couches en vrac, réduisant ainsi les interactions entre elles.
« Bien que le matériau NbSe2 intercalé se compose toujours de nombreuses couches, ses propriétés se comportent de manière assez similaire à celles des échantillons de NbSe2 monocouche », a déclaré Zhou. « Plus précisément, la supraconductivité du matériau intercalé peut survivre sous un grand champ magnétique dans le plan, mais la température de transition supraconductrice est supérieure à la monocouche NbSe2. De plus, les cations peuvent transférer des charges vers les couches actives et agir comme des couches protectrices, ce qui rend l’hybride matériau stable dans l’air. »
Alors que Zhou et ses collègues ont spécifiquement utilisé leur stratégie basée sur l’intercalation pour élargir les propriétés d’un échantillon de NbSe2 2D en couches, la même stratégie pourrait également être appliquée à une large gamme de matériaux en couches pour obtenir des propriétés comparables à celles des versions monocouches de ces matériaux. , voire mieux. Jusqu’à présent, cette méthode a permis une supraconductivité d’Ising sur mesure dans NbSe2, une supraconductivité améliorée dans le semi-métal de Weyl MoTe2 et une transition semi-conducteur à supraconducteur dans SnSe2.
« Notre méthode d’intercalation est assez générique et peut être facilement étendue à une grande variété de matériaux en couches et à une large sélection de liquides ioniques avec différents cations », a ajouté Zhou. « Par conséquent, notre travail fournit une voie importante pour créer des matériaux hybrides avec des fonctionnalités accordables dépassant éventuellement les cristaux en vrac et les échantillons monocouches. Outre les supraconducteurs, nous aimerions appliquer cette stratégie à de nombreux autres matériaux en couches pour obtenir des propriétés plus intrigantes. Nous espérons que grâce à à l’intercalation, des propriétés intrigantes dépassant à la fois les cristaux en vrac et les échantillons monocouches seront bientôt activées dans un nombre croissant de matériaux en couches. »
Plus d’information:
Haoxiong Zhang et al, Supraconductivité d’Ising sur mesure dans le NbSe2 en vrac intercalé, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01778-7
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