Une nouvelle technique prometteuse pour la fabrication en masse d’un matériau quasi-1D exotique

Des chercheurs ont fabriqué une couche mince de tellurure de zirconium de van der Waals quasi-unidimensionnelle, une forme d’une substance qui promet depuis longtemps des avancées dans l’informatique quantique, la nanoélectronique et d’autres technologies avancées. Jusqu’à présent, elle a déconcerté les scientifiques qui ont essayé de la fabriquer en grandes quantités.

Un article décrivant une nouvelle technique de fabrication a été publié dans le Journal des sciences et technologies des matériaux le 8 juin 2024.

Les matériaux van der Waals quasi unidimensionnels (quasi-1D) sont devenus un sujet brûlant dans la recherche en science des matériaux ces dernières années en raison des effets quantiques de leur structure unique qui produisent des propriétés électriques, optiques et mécaniques inhabituelles.

On les appelle substances « quasi » 1D car, alors que les molécules des véritables matériaux 1D sont des chaînes liées par des liaisons chimiques covalentes, dans les matériaux quasi 1D, des forces intermoléculaires extrêmement faibles, appelées forces de van der Waals, s’exerçant entre ces chaînes 1D, les organisent également en feuillets 2D. Cela combine les avantages de la capacité des substances 1D à amplifier les effets quantiques avec les avantages des matériaux en feuillets 2D empilables.

Grâce à cette double approche, les matériaux quasi-1D sont largement considérés comme essentiels au développement de la prochaine génération de nanoélectronique, d’informatique quantique, de spintronique et d’autres technologies de pointe.

Pentatelluride de zirconium (ZrTe)₅) a récemment attiré l’attention en tant que matériau en raison de ses propriétés de semi-métal de Dirac et Weyl, où les électrons se comportent comme s’ils avaient une masse nulle et bénéficient ainsi de propriétés optiques et magnétiques encore plus exotiques.

« Malheureusement, jusqu’à présent, en raison de la difficulté de la fabrication à grande échelle de ZrTe₅ « Dans les films, cette substance merveilleuse est restée une sorte de nouveauté de laboratoire », explique Yi Shuang de l’Institut avancé de recherche sur les matériaux WPI (WPI-AIMR) de l’Université de Tohoku.

Les chercheurs se sont tournés vers une méthode alternative pour la fabrication de couches minces : le dépôt physique en phase vapeur (PVD). Plus précisément, ils ont utilisé la « pulvérisation cathodique » PVD.

Dans ce contexte, le terme « pulvérisation cathodique » ne désigne pas les bruits d’explosion d’un moteur en panne. Il désigne plutôt le bombardement d’une substance cible par des atomes ou des ions, ce qui entraîne une éjection de matière de cette cible vers une autre substance ou « substrat ». La pulvérisation cathodique PVD est un procédé de fabrication bien établi dans l’industrie des semi-conducteurs.

Les chercheurs ont utilisé un magnétron RF, un dispositif qui utilise l’énergie radiofréquence pour produire l’effet de pulvérisation cathodique, sur des cibles en zirconium et en tellure en même temps. Croissance à grande échelle de ZrTe quasi-1D₅ a été atteint.

Immédiatement après le dépôt du ZrTe₅ Sur le substrat, les films étaient initialement dans un état amorphe. Cependant, lors du traitement thermique sous atmosphère d’argon, une cristallisation se produit, entraînant un changement radical des propriétés du matériau. Cette transition est cruciale pour obtenir les caractéristiques spécifiques nécessaires au ZrTe quasi-1D souhaité.₅ candidatures.

Une analyse détaillée de cette transformation de la structure amorphe à la structure cristalline a révélé pourquoi cela se produit. Ce faisant, l’équipe de recherche a fait progresser la compréhension fondamentale de la transition de phase amorphe à cristalline dans les matériaux quasi-1D en général, et pas seulement dans le ZrTe₅.

L’équipe vise maintenant à affiner cette analyse du processus de cristallisation en utilisant d’autres techniques avancées, ainsi qu’à tester les performances du matériau dans des applications réelles.