Depuis la première isolation du graphène en laboratoire, il y a une quinzaine d’années, les chercheurs ont fait rêver à son application et à celle d’autres matériaux « 2-D » atomiquement fins, tels que les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), pour créer des dispositifs ultra robustes, légers et flexibles.

Mais la mise en place des écrans super flat et flexibles ou encore des téléphones mobiles pliables nécessitera des schémas pratiques pour créer des hétérostructures, des matériaux semi-conducteurs 2D pour obtenir des effets optoélectroniques spécifiques. Et il faudra trouver des moyens de produire ces structures empilées à l’échelle non pas de minuscules paillettes en laboratoire, mais de plaquettes de semi-conducteurs sur la chaîne de production.

Plusieurs laboratoires ont récemment fait état de progrès intéressants vers l’objectif de telles hétérostructures ultra-mince et évolutives. Une équipe de recherche en Chine, en Australie et aux États-Unis ont façonné des hétérostructures atomiquement minces composées de monocouches d’un TMD 2-D, de diséléniure de molybdène (MoSe2) ainsi que d’un matériau organique, et a constaté que l’hybride organique-inorganique présentait une augmentation spectaculaire de l’efficacité de photoexcitation et de photoluminescence. Dans le cadre de travaux distincts, des chercheurs aux États-Unis et en Corée ont mis au point une méthode qui, selon eux, pourrait permettre la création fiable de monocouches TMD de haute qualité et d’hétérostructures à l’échelle de la plaquette.

Rendre les excitons mobiles

Parmi les matériaux 2D, les TMD – qui combinent un métal de transition comme le tungstène ou le molybdène avec un chalcogène comme le soufre ou le sélénium – présentent un intérêt particulier pour les ingénieurs en optique, en raison de la grande bande interdite indirecte de ces matériaux. Cela pourrait en faire un composant idéal pour les photodétecteurs, les LED et les cellules solaires, par exemple. Des chercheurs de l’Université de Nanjing (Chine), de l’Australian National University (AMU) et de l’Université du Wisconsin (États-Unis) se sont récemment penchés sur les moyens de renforcer les interactions lumière-matière dans les TMD monocouche.

Une façon de mettre au point de telles interactions est de coupler ces matériaux inorganiques 2D avec des semi-conducteurs moléculaires organiques. Un tel appariement organique-inorganique, comme l’avaient suggéré des travaux antérieurs, peut accroître la mobilité des paires électron-trou d’électrons excités – appelées excitatrices – à travers l’interface hétérostructurelle. Et cela, à son tour, pourrait augmenter l’efficacité de la pile de semi-conducteurs dans la conversion de la lumière en électricité (dans des applications telles que les photodétecteurs et le photovoltaïque) et de l’électricité en lumière (dans les LED).

Le problème, souligne l’équipe Nanjing-AMU-Wisconsin, c’est que ces travaux antérieurs ont intégré des TMD 2D à des matériaux organiques en vrac (d’une épaisseur supérieure à 20 nm). Selon les chercheurs, ce n’est pas suffisant pour assurer le contrôle atome par atome nécessaire à l’optimisation des interactions lumière-matière dans ces structures. Et cela enlève aussi une partie du potentiel d’intégration de ces hétérostructures dans des appareils exotiques et ultra-minces tels que les téléphones pliables.

Pour arriver à de vraies hétérostructures organiques TMD atomiquement minces, les chercheurs se sont basés sur des travaux antérieurs qui n’étudiaient que quelques couches moléculaires d’épaisseur. Sur cette base, ils ont utilisé le dépôt physique en phase vapeur pour déposer une couche ultra-mince et bidimensionnelle d’un matériau semi-conducteur organique, le pentacène, sur un film de nitrure de bore de quelques couches atomiques d’épaisseur. Ils ont ensuite complété l’hétérostructure en déposant des flocons secs de MoSe2 sur la couche organique. Enfin, ils ont fixé des électrodes en or pour faire passer la structure à travers ses pas optoélectroniques.

L’équipe a découvert que ces hétérostructures 2-D pentacènes-MoSe2 présentaient un alignement de bande dit de type I. Dans ce cas, cet alignement signifiait que les excitons pouvaient être pompées à travers l’interface hétérostructure organique-inorganique plus de 86 fois plus efficacement que pour la photoexcitation dans MoSe2 seule. Et cette efficacité de pompage de l’exciton s’est clairement manifestée dans des caractéristiques telles que la photoluminescence fortement accrue dans la couche de MoSe2.

Tout cela, selon les membres de l’équipe de recherche, pourrait ultimement se produire dans des dispositifs qui sont à la fois optiquement brillants et qui ont des propriétés exotiques.

« L’émission de lumière de notre structure semi-conductrice est très forte, de sorte qu’elle peut être utilisée pour des écrans à haute résolution « , a déclaré Ankur Sharma, chercheur au doctorat de l’ANU, dans un communiqué de presse. « Et, comme les matériaux sont ultra-minces, ils ont la flexibilité d’être transformés en écrans pliables et en téléphones portables. » Plus largement, l’étude conclut que les travaux fournissent « une nouvelle façon de concevoir les interactions lumière-matière dans les semi-conducteurs atomiquement minces et leurs hybrides, permettant la mise au point de divers nouveaux dispositifs optoélectroniques, tels que les diodes d’éclairage ultrafines, les lasers hétérostructure, etc.

Au-delà de la méthode du « ruban adhésif

Le travail rapporté par l’équipe Nanjing-ANU-Wisconsin offre une belle victoire pour le potentiel optoélectronique des hétérostructures de semi-conducteurs 2D. Mais comment la partie inorganique de ces structures sera fabriquée – exfoliation mécanique laborieuse des flocons de MoSe2 – reste un problème pour la mise à l’échelle de ces structures jusqu’à leur utilisation commerciale. Le travail séparé d’une autre équipe pourrait permettre de construire des hétérostructures de TMD à une échelle compatible avec la production de plaquettes semi-conductrices.

Même une décennie et demie après la découverte du graphène, les laboratoires fabriquent encore des matériaux inorganiques 2D à peu près de la même façon qu’en 2003 : la méthode du « ruban adhésif », qui consiste à utiliser un ruban adhésif pour décoller les paillettes du matériau 2D d’un matériau en vrac, puis à assembler ces paillettes en films d’une ou plusieurs couches atomiques. Il s’agit d’un processus long et imparfait, au mieux, qui nécessite de nombreuses heures pour assembler un seul appareil dans le laboratoire.

Diviser pour mieux régner

Pour surmonter cet obstacle à la commercialisation, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), de Georgia Tech, de l’Université de Virginie et de l’Université de Notre Dame, aux États-Unis, et de l’Université Yonsei, en Corée du Sud, ont examiné une approche très différente qui, selon l’équipe, pourrait permettre une intégration systématique des matériaux bidimensionnels en plaques.

La technique, que l’équipe appelle la division par couches, consiste d’abord à monter une pile relativement épaisse du matériau TMD 2D, d’environ 5 cm de diamètre et de multiples couches atomiques d’épaisseur, sur une tranche de saphir. Ensuite, un film de nickel de 600 nm d’épaisseur, qui adhère fortement au TMD 2-D, est appliqué sur le dessus de la pile et plié pour libérer mécaniquement le matériau 2-D du substrat en saphir.

Ensuite, une deuxième couche de nickel est ajoutée au fond de la pile. Lorsque la couche supérieure est à nouveau courbée vers l’arrière, la propagation des fissures à travers le matériau TMD empilé, puis le long de l’interface entre les monocouches atomiquement épaisses, permet aux monocouches d’être pelées une à une et fixées en un seul grand morceau, plutôt qu’en une mosaïque de flocons exfoliés, sur un nouveau substrat de wafer.

Vers une fabrication industrielle

L’équipe a pu utiliser cette technique pour créer des monocouches de 5 cm de diamètre d’uniformité à l’échelle de la tranche de silicium à partir d’une variété de TMD, y compris MoSe2, MoS2, WSe2 et WS2, et ce, en quelques minutes, comparativement aux heures requises pour obtenir des couches de haute qualité en utilisant la méthode du ruban adhésif. De plus, ils ont montré que les couches 2D ainsi créées pouvaient être efficacement empilées dans une variété d’hétérostructures et même des réseaux d’hétérostructures aux propriétés optoélectroniques améliorées, grâce à une méthode qu’ils appellent l’empilage quasi sec.

L’équipe croit que la technique de fendage à résolution de couche pourrait offrir une clé pour la fabrication à haut débit d’hétérostructures à base de TMD et, par conséquent,  » un tremplin  » vers la commercialisation de dispositifs basés sur ces structures. « Tout ce que vous avez à faire est de cultiver ces matériaux 2D épais, puis de les isoler en monocouches et de les empiler « , a noté le chef d’équipe Jeehwan Kim du MIT. « C’est donc extrêmement bon marché – beaucoup moins cher que le procédé semi-conducteur existant. Cela signifie qu’il va amener les matériaux 2D de laboratoire à la fabrication pour la commercialisation. »