Vos amis penseront que vous êtes boiteux si vous ne connaissez pas les cristaux atomiques

Que pourrions-nous faire avec des structures en couches avec juste les bonnes couches? Quelles seraient les propriétés des matériaux si nous pouvions réellement arranger les atomes comme nous le voulons?

Le curieux physicien américain Richard Feynman a posé ces questions dans sa conférence de 1959, Il y a beaucoup de Chambre au fond . Il a animé avec des idées profondes sur "manipuler et contrôler les choses sur l'échelle atomique", en utilisant la mécanique quantique.

Farfelu à l'époque, manipuler des couches d'atomes est un domaine de recherche majeur. Pour réaliser la vision de Feynman, les chercheurs d'IBM et de Bell Labs aux États-Unis ont dû concevoir une nouvelle approche de la construction des matériaux couche par couche: épitaxie par jets moléculaires ou MBE

pulvérisation de peinture avec des atomes. Vous commencez par vaporiser des matériaux de source ultra-purs comme le gallium, l'aluminium ou l'indium, et les combinez avec de l'arsenic ou du phosphore. Les atomes vaporisés volent à travers une chambre à vide vers une couche de base faite de matériaux similaires. Les atomes y adhèrent et accumulent lentement une couche atomique de cristal à la fois. Le vide ultra-élevé assure que les impuretés sont minimes.

Atomic architects

Bien que le processus soit relativement lent – typiquement quelques couches atomiques par minute – la précision est remarquable. Il permet aux techniciens d'empiler différents matériaux semiconducteurs les uns sur les autres pour créer des cristaux connus sous le nom d'hétérostructures qui peuvent avoir des propriétés extrêmement utiles. En empilant alternativement des couches d'arséniure d'aluminium et d'arséniure de gallium, par exemple, vous pourriez produire un matériau extrêmement efficace pour stocker l'électricité.

Une fois cette technique perfectionnée dans les années 1990 et 2000, les scientifiques ont pu contrôler le nombre d'électrons et leurs énergies dans un cristal particulier. Et puisque la lumière interagit avec ces électrons, un meilleur contrôle du comportement des électrons signifie que vous contrôlez mieux la façon dont ils sont stimulés par la lumière.

Les hétérostructures ont conduit à de nombreuses découvertes, notamment sur le comportement quantique de particules telles que les électrons. en eux. Les prix Nobel de physique ont été décernés à cinq reprises ( 1973 1985 1998 2000 et 2014 ), et les matériaux qui en résultent ont révolutionné la civilisation.

Les hétérostructures à semi-conducteurs permettent des cellules solaires, des LED, des lasers et des transistors ultra-rapides. Même Internet serait autrement impossible: les lasers qui envoient les impulsions lumineuses qui codent les bits d'information en ligne sont fabriqués à partir d'hétérostructures, tout comme les photodétecteurs qui mesurent ces impulsions lumineuses et décodent l'information.

Il existe toutefois des restrictions. La taille atomique, l'espacement et la disposition de ces hétérostructures ne peuvent pas être trop dissemblables entre les couches sans défauts apparaissant. Cela limite les combinaisons de matériaux possibles et le potentiel d'ingénierie libre des propriétés électroniques et optiques.

En outre, les cristaux sont naturellement constitués d'atomes qui forment des liaisons dans les trois directions. Cela signifie qu'il y a toujours des atomes insatisfaits avec des liens «pendants» sur les bords. Les impuretés étrangères cherchent ces liens et créent des défauts qui peuvent détruire d'autres propriétés. Cela devient particulièrement important avec des cristaux plus petits, ce qui les empêche d'être complètement intégrés dans les transistors modernes, les lasers et ainsi de suite.

Entrez les cristaux 2D

L'ultime couche de matériaux ultra-minces est constituée d'une seule couche d'atomes. Heureusement, la nature a conçu de tels "cristaux bidimensionnels". Le plus célèbre est le graphène qui est juste des atomes de carbone disposés selon un motif hexagonal.

Le graphène est plus résistant que l'acier et conduit l'électricité mieux que le cuivre. Il possède de nombreuses propriétés électroniques, optiques et mécaniques uniques et parfois exotiques – comme l'a reconnu le Prix Nobel de physique pour sa découverte en 2010.

Dans un cristal de graphène parfait, tous les atomes sont complètement liés à un autre et il n'y a pas de liens pendants. Il est célèbre de pouvoir produire du graphène en décollant des couches de graphite à l'aide de scotch: le graphite est en réalité constitué de plusieurs couches de graphène toutes maintenues par forces de Van der Waals beaucoup plus faibles que les liaisons de chaque feuille

Outre le graphène, il existe de nombreux autres cristaux 2D, chacun avec des propriétés uniques. Plusieurs se produisent naturellement comme des gemmes dans le sol, comme le disulfure de molybdnimum, un lubrifiant industriel important. D'autres peuvent être réalisés par épitaxie par jets moléculaires, comme le nitrure de bore isolant, et les cristaux de la même famille de dichalcogénures de métaux de transition que le sulfure de molybdnimum

Comme le graphène est le graphite, les scientifiques "décollent" (ou exfolier) des feuilles 2D simples à partir de plus grandes quantités de ces composés. La minceur inhérente de ces feuilles signifie qu'elles peuvent se comporter différemment des hétérostructures décrites précédemment. Différents matériaux atomiquement minces peuvent être isolants, semi-conducteurs, métalliques, magnétiques ou même supraconducteurs.

Les scientifiques peuvent également choisir, placer et combiner ces matériaux à volonté pour former de nouvelles hétérostructures, connues sous le nom d'hétérostructures de Van der Waals, ayant des propriétés différentes. les feuilles 2D. Fondamentalement, ceux-ci n'ont pas les mêmes limitations que leurs cousins ​​réalisés par épitaxie par jets moléculaires. Ils peuvent comprendre des couches de cristaux atomiques très différents, permettant des possibilités sans précédent et illimitées de combiner différents matériaux.

Par exemple, vous pouvez combiner des couches magnétiques avec des semi-conducteurs et isolants sans attirer les contaminants comme l'humidité ou les oxydes entre couches. Cela peut être utilisé pour créer des dispositifs qui contrôlent le magnétisme à l'aide de l'électricité, qui est la base de la mémoire magnétique sur les disques durs.

Vous pouvez également empiler deux couches atomiques identiques dont une tournée en angle. Cela crée un réseau appelé moiré, qui fournit un nouveau degré de liberté pour l'ingénierie des propriétés électroniques et optiques. Les images que nous utilisons pour le démontrer à la actuelle Royal Society Summer Exhibition à Londres donnent une idée de la façon dont cela fonctionne:

Tandis que les hétérostructures de Van der Waals en sont encore à leurs balbutiements, une nouvelle physique et des capacités impressionnantes apparaissent déjà. Il s'agit notamment de versions plus petites, plus légères, plus flexibles et plus efficaces de cellules solaires, de DEL, de transistors et de mémoire magnétique.

À l'avenir, nous pouvons nous attendre à des surprises dont nous n'avions jamais rêvé. Un exemple précoce est la découverte récente que lorsque vous tordez deux couches de graphène à un "angle magique" l'une par rapport à l'autre, les électrons deviennent supraconducteurs. Cette percée, encore mal comprise, pourrait débloquer des mystères vieux de 30 ans sur la façon dont les électrons peuvent naviguer dans les supraconducteurs sans perdre d'énergie. Cela pourrait nous permettre d'utiliser des supraconducteurs à température ambiante, avec des avantages potentiels pour tout, de l'imagerie médicale et des ordinateurs quantiques à la transmission d'électricité sur de longues distances.

Cependant, il n'est pas facile de prédire les résultats technologiques. Comme Herbert Kroemer, qui a partagé le prix Nobel en 2000 pour le développement des hétérostructures semi-conducteurs utilisés dans l'électronique à grande vitesse et optoélectronique, a souvent dit :

Les principales applications de tout nouveau et suffisamment la technologie innovatrice a toujours été et continuera d'être des applications créées par cette technologie

Brian Gerardot Chaire en technologies émergentes, Heriot-Watt University

This article a été publié à l'origine le The Conversation . Lisez l'article original .