Le matériau hybride 2D intègre le graphène et le verre de silice pour l’électronique de nouvelle génération

Certains des matériaux les plus prometteurs pour les technologies futures sont disponibles en couches seulement un atome d’épaisseur, comme le graphène, une feuille d’atomes de carbone disposée dans un réseau hexagonal, prisé pour sa résistance et sa conductivité exceptionnelles. Alors que des centaines de ces matériaux existent, les fusionner vraiment en quelque chose de nouveau est restée un défi. La plupart des efforts empilent simplement ces feuilles minces comme un jeu de cartes, mais les couches manquent généralement d’interaction significative entre eux.

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par Rice University Materials Scientists a réussi à créer un véritable hybride 2D en intégrant chimiquement deux matériaux 2D fondamentalement différents – Graphène et Silica Glass – dans un seul composé stable appelé Graphène, selon une étude publiée dans Matériaux avancés.

“Les couches ne reposent pas seulement les unes sur les autres; les électrons se déplacent et forment de nouvelles interactions et états de vibration, donnant naissance à des propriétés qu’aucune des éléments n’a en soi”, a déclaré Sathvik Iyengar, doctorant à Rice et premier auteur de l’étude.

Plus important encore, a expliqué Iyengar, la méthode pourrait s’appliquer à une large gamme de matériaux 2D, permettant le développement d’hybrides 2D de concepteurs pour l’électronique de nouvelle génération, la photonique et les appareils quantiques.

“Il ouvre la porte à combiner entièrement de nouvelles classes de matériaux 2D – comme des métaux avec des isolateurs ou des aimants avec des semi-conducteurs – pour créer des matériaux sur mesure à partir de zéro”, a déclaré Iyengar.

L’équipe a développé une méthode en deux étapes à réaction unique pour cultiver du glaphène en utilisant un précurseur chimique liquide qui contient à la fois du silicium et du carbone. En réglant les niveaux d’oxygène pendant le chauffage, ils ont d’abord augmenté le graphène, puis déplacé les conditions pour favoriser la formation d’une couche de silice. Cela a nécessité un appareil personnalisé à haute température et à basse pression conçu sur plusieurs mois en collaboration avec Anchal Srivastava, professeur invité de l’Université hindoue de Banaras en Inde.

“Cette configuration était ce qui a rendu la synthèse possible”, a déclaré Iyengar. “Le matériau résultant est un véritable hybride avec de nouvelles propriétés électroniques et structurelles.”

Une fois le matériel synthétisé, l’équipe de riz a travaillé à confirmer sa structure avec Manoj Tripathi et Alan Dalton à l’Université de Sussex. L’un des premiers indices que le glaphène était quelque chose de nouveau provenait d’une anomalie. Lorsque l’équipe a analysé le matériau en utilisant la spectroscopie Raman – une technique qui détecte comment les atomes vibrent en mesurant des changements subtils dans la lumière laser dispersée – ils ont trouvé des signaux qui ne correspondaient ni au graphène ni à la silice. Ces caractéristiques vibratoires inattendues ont fait allusion à une interaction plus profonde entre les couches.

Dans la plupart des piles de matériaux 2D, les couches sont simplement assises en place, maintenues faiblement comme des aimants sur une porte de réfrigérateur. Mais dans le glaphène, les couches se verrouillent à travers bien plus que ce qu’on appelle les liaisons faibles de van der Waals, permettant aux électrons de s’écouler entre eux et à donner lieu à des comportements entièrement nouveaux.

Pour enquêter davantage, Iyengar a consulté Marcos Pimenta, un expert en spectroscopie basé au Brésil. En fin de compte, l’anomalie s’est avérée être un artefact – un rappel important, a déclaré Iyengar, que même les résultats reproductibles doivent être traités avec prudence.

Pour mieux comprendre comment les couches liées se comportent au niveau atomique, l’équipe a collaboré avec Vincent Meunier à la Pennsylvania State University pour vérifier les résultats expérimentaux contre les simulations quantiques. Ceux-ci ont confirmé que les couches de graphène et de silice interagissent et se lient d’une manière unique, partageant partiellement les électrons à travers l’interface. Cette liaison hybride modifie la structure et le comportement du matériau, transformant un métal et un isolant en un nouveau type de semi-conducteur.

“Ce n’était pas quelque chose que un seul laboratoire pouvait faire”, a déclaré Iyengar, qui a récemment passé un an au Japon en tant que boursier de la Japan Society for the Promotion of Science (JSPS), et également récipiendaire inaugural de la bourse quad, un programme lancé par les gouvernements des États-Unis, de l’Inde, de l’Australie et du Japon pour soutenir les scientifiques de carrière précoce dans la façon dont la science, la politique et la diplomatie se croisent sur la phase mondiale. “Cette recherche a été un effort croisé pour créer et comprendre une nature matérielle ne fait pas d’elle-même.”

Pulickel Ajayan, Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson de Rice, professeur d’ingénierie et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie, a déclaré que si la découverte de glaphène est significative en soi, ce qui rend la recherche vraiment excitante est la méthode plus large qu’elle introduit: une nouvelle plate-forme pour combiner chimiquement les matériaux 2D fondamentalement différents.

La recherche reflète un principe directeur qu’Iyengar dit qu’il a hérité de son conseiller.

“Depuis que j’ai commencé mon doctorat, mon conseiller m’a encouragé à explorer des idées de mélange que les autres hésitent à mélanger”, a-t-il déclaré, citant Ajayan, qui est un auteur correspondant dans l’étude aux côtés de Meunier. “Le professeur Ajayan a également déclaré que la véritable innovation se produit aux jonctions de l’hésitation, et ce projet en est la preuve.”