Les propriétés de matériaux 2D modifiées à l'échelle nanométrique

Les chercheuses du Laboratoire des microsystèmes 1, Xia Liu et Ana Conde-Rubio. © EPFL/Alain Herzog, 2020

Les chercheuses du Laboratoire des microsystèmes 1, Xia Liu et Ana Conde-Rubio. © EPFL/Alain Herzog, 2020

Grâce à une pointe nanométrique, des scientifiques de l’EPFL parviennent à modifier les propriétés physiques de matériaux bidimensionnels de façon permanente, en les déformant. Une étape importante pour les intégrer dans les dispositifs électroniques et optoélectroniques.

Isolant, semi-conducteur, métallique, transparent, souple… Chaque matériau a ses propriétés intrinsèques. Certains en possèdent toutefois plus et de plus intéressantes, ce sont les matériaux bidimensionnels. Composés de seulement une ou quelques couches d’atomes, ils sont très prometteurs pour la fabrication de la prochaine génération de dispositifs électroniques et optoélectroniques.

«Dans ce domaine, le silicium reste encore roi», souligne Jürgen Brugger, professeur à la Faculté des Sciences et Techniques de l’Ingénieur de l’EPFL. «Mais dans le cas de certains dispositifs électroniques, comme ceux souples ou transparents par exemple, le silicium touche à ses limites. Les matériaux bidimensionnels pourraient devenir une alternative valable».

Modifier les propriétés selon les applications

Pour être utilisés, ces matériaux doivent être structurés, c’est-à-dire découpés pour obtenir la forme et la dimension requises pour le dispositif prévu. Il faut également pouvoir ajuster leurs propriétés physiques (par exemple, la largeur de la bande interdite), globalement et localement. Des chercheurs du Laboratoire des microsystèmes 1, en collaboration avec l’ETH Zürich et IBM, ont développé une nouvelle technique pour y parvenir.

Une pointe nanométrique qui déforme le matériau

Ils utilisent pour cela une sonde à balayage thermique (t-SPL), une minuscule pointe chauffée qui exerce une pression sur le matériau pour lui donner la forme choisie, ici ondulée, en contrôlant la force et la température. «Plusieurs techniques permettent déjà de déformer les matériaux bidimensionnels globalement et localement», indique Ana Conde-Rubio, collaboratrice scientifique du laboratoire. «Notre nouvelle approche thermomécanique permet d'obtenir des déformations plus importantes, ce qui détermine une plus grande variation des propriétés physiques.» En particulier, ils peuvent changer la différence d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction, déterminant ainsi une variation des propriétés électroniques et optiques du matériau. La nouvelle technologie permet de définir cette variation de la bande interdite à chaque endroit du matériau, avec une résolution jusqu'à 20 nanomètres.

Un outil pour découper et modifier les matériaux 2D

En plus d’agir sur les propriétés, les chercheurs avaient déjà compris comment «couper» ces matériaux avec précision. Leur objectif sera ensuite de combiner ces deux méthodes. «Un tel système permettrait non seulement de fabriquer des dispositifs ayant la forme et les dimensions souhaitées (jusqu'à l'échelle nanométrique), mais aussi de définir leurs propriétés physiques locales à l'aide du même outil, le t-SPL», souligne Xia Liu, également scientifique au Laboratoire des microsystèmes 1. Leurs résultats sont publiés dans Nano Letters.

Cette recherche s’inscrit dans un projet plus global, à savoir le développement de nouvelles techniques de fabrication et modification de matériaux non conventionnels, comme les matériaux bidimensionnels. Cette recherche est nécessaire pour permettre le passage de l'échelle du laboratoire académique à la production industrielle à grande échelle.

Une minuscule pointe chauffée déforme le matériau pour en modifier les propriétés. 
© Samuel Howell, CC-BY 4.0

Collaboration

*Microsystems Laboratory, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 1015 Lausanne, Switzerland

*Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zurich, 8093 Zurich, Switzerland

*IBM Research - Zurich, Säumerstrasse 4, 8803 Rüschlikon, Switzerland,

Financement

Ce projet a reçu un financement du Conseil européen de la recherche (ERC), sous le programme «European Union’s Horizon 2020 research and innovation program» (ERC-2016-ADG, Project“MEMS 4.0” Grant 742685 and Project “2DNanoSpec” Grant 741431).

Références

Thermo-mechanical Nanostraining of Two-Dimensional Materials, Xia Liu, Amit Kumar Sachan, Samuel Tobias Howell, Ana Conde-Rubio, Armin W. Knoll, Giovanni Boero, Renato Zenobi, Jürgen Brugger, Nano Letters.

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c03358