Deux percées techniques rendent possible des matériaux 2D de haute qualité

Les chercheurs ont cherché à remplacer le silicium dans l’électronique par des matériaux offrant des performances plus élevées et une consommation d’énergie inférieure tout en étant évolutifs. Une équipe internationale répond à ce besoin en développant un processus prometteur pour développer des matériaux 2D de haute qualité qui pourraient alimenter l’électronique de nouvelle génération.

Sang-Hoon Bae, professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux à la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à Saint Louis, est l’un des trois chercheurs à la tête du travail multi-institutionnel publié le 18 janvier dans Nature, avec son doctorat l’étudiant Justin S. Kim et l’associé de recherche postdoctoral Yuan Meng.

Le travail, qui comprend deux percées techniques, est le premier à signaler que leur méthode de croissance des matériaux semi-conducteurs, connue sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition (TMD), rendrait les dispositifs plus rapides et utiliserait moins d’énergie.

L’équipe, codirigée par Jeehwan Kim, professeur agrégé de génie mécanique et de science et ingénierie des matériaux au Massachusetts Institute of Technology, et Jin-Hong Park, professeur d’ingénierie de l’information et de la communication et de génie électronique et électrique à Sungkyunkwan University, a dû surmonter trois défis extrêmement difficiles pour créer les nouveaux matériaux : assurer la monocristallinité à l’échelle de la plaquette ; empêcher une épaisseur irrégulière pendant la croissance à l’échelle de la plaquette ; et hétérostructures verticales à l’échelle de la plaquette.

Bae a déclaré que les matériaux 3D passent par un processus de rugosité et de lissage pour devenir un matériau à surface uniforme. Cependant, les matériaux 2D ne permettent pas ce processus, ce qui entraîne une surface inégale qui rend difficile l’obtention d’un matériau 2D uniforme à grande échelle et de haute qualité.

“Nous avons conçu une structure géométriquement confinée qui facilite le contrôle cinétique des matériaux 2D afin que tous les grands défis de la croissance des matériaux 2D de haute qualité soient résolus”, a déclaré Bae. “Grâce au contrôle cinétique facilité, nous n’avions besoin que de cultiver des semis auto-définis pendant un temps de croissance plus court.”

L’équipe a fait une autre percée technique en démontrant des TMD à hétérojonction à domaine unique à l’échelle de la tranche, ou à grande échelle, par croissance couche par couche. Pour confiner la croissance des noyaux, ils ont utilisé divers substrats à base de composés chimiques. Ces substrats formaient une barrière physique qui empêchait la formation d’épitaxie latérale et la croissance verticale forcée.

“Nous pensons que notre technique de croissance confinée peut apporter toutes les grandes découvertes en physique des matériaux 2D au niveau de la commercialisation en permettant la construction d’hétérojonctions couche par couche à domaine unique à l’échelle de la tranche”, a déclaré Bae.

Bae a déclaré que d’autres chercheurs étudient ce matériau à de très petites tailles de dizaines à des centaines de micromètres.

“Nous avons augmenté parce que nous pouvons résoudre le problème en produisant du matériel de haute qualité à grande échelle”, a déclaré Bae. “Notre réalisation établira une base solide pour que les matériaux 2D s’intègrent dans les environnements industriels.”