Les chercheurs américains ont démontré que de petites modifications dans la composition isotopique des matériaux semi-conducteurs minces peuvent influencer leurs propriétés optiques et électroniques. Cette découverte ouvre potentiellement la voie à de nouvelles conceptions avancées utilisant ces semi-conducteurs.
L’importance des semi-conducteurs dans l’électronique moderne
Les semi-conducteurs jouent un rôle crucial dans l’évolution constante des appareils et systèmes électroniques, qui deviennent chaque jour plus avancés et sophistiqués. Depuis des décennies, les chercheurs étudient les moyens d’améliorer les composés semi-conducteurs afin d’influencer la manière dont ils conduisent le courant électrique. L’une des approches consiste à utiliser des isotopes pour modifier les propriétés physiques, chimiques et technologiques des matériaux.
Les isotopes sont des membres d’une famille d’éléments qui possèdent tous le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons, et donc une masse différente. L’ingénierie isotopique s’est traditionnellement concentrée sur l’amélioration des matériaux dits «en vrac», qui présentent des propriétés uniformes en trois dimensions (3D).
Une nouvelle frontière dans l’ingénierie isotopique des matériaux 2D
Cependant, de nouvelles recherches menées par l’Oak Ridge National Laboratory du Département de l’Énergie des États-Unis ont fait progresser la frontière de l’ingénierie isotopique là où le courant est confiné en deux dimensions (2D) à l’intérieur de cristaux plats et où une couche ne fait que quelques atomes d’épaisseur. Ces matériaux 2D sont prometteurs car leur nature ultra-mince pourrait permettre un contrôle précis de leurs propriétés électroniques.
Kai Xiao, scientifique à l’ORNL, explique : «Nous avons observé un effet isotopique surprenant dans les propriétés optoélectroniques d’une seule couche de disulfure de molybdène lorsque nous avons substitué un isotope plus lourd du molybdène dans le cristal, un effet qui ouvre des opportunités pour concevoir des dispositifs optoélectroniques 2D pour la microélectronique, les cellules solaires, les photodétecteurs et même les technologies informatiques de nouvelle génération.»
Un effet isotopique inattendu dans les cristaux de disulfure de molybdène
Yiling Yu, membre de l’équipe de recherche de Kai Xiao, a fait croître des cristaux 2D isotopiquement purs de disulfure de molybdène atomiquement mince en utilisant des atomes de molybdène de différentes masses. Yu a remarqué de petits décalages dans la couleur de la lumière émise par les cristaux sous photoexcitation, c’est-à-dire sous stimulation par la lumière.
«De manière inattendue, la lumière du disulfure de molybdène contenant les atomes de molybdène plus lourds était davantage décalée vers l’extrémité rouge du spectre, ce qui est à l’opposé du décalage auquel on s’attendrait pour les matériaux en vrac», a précisé Kai Xiao. Ce décalage vers le rouge indique un changement dans la structure électronique ou les propriétés optiques du matériau.
Comprendre les mécanismes de diffusion des excitons dans les cristaux ultra-minces
Xiao et son équipe, en collaboration avec les théoriciens Volodymyr Turkowski et Talat Rahman de l’Université de Floride Centrale, savaient que les phonons, ou vibrations cristallines, devaient disperser les excitons, ou excitations optiques, de manière inattendue dans les dimensions confinées de ces cristaux ultra-minces. Ils ont découvert comment cette diffusion décale la bande interdite optique vers l’extrémité rouge du spectre lumineux pour les isotopes plus lourds.
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La «bande interdite optique» fait référence à la quantité minimale d’énergie nécessaire pour qu’un matériau absorbe ou émette de la lumière. En ajustant la bande interdite, les chercheurs peuvent faire en sorte que les semi-conducteurs absorbent ou émettent différentes couleurs de lumière, et cette capacité de réglage est essentielle pour concevoir de nouveaux dispositifs.
Synthèse de cristaux 2D avec deux isotopes du même élément
Alex Puretzky, de l’ORNL, a décrit comment différents cristaux cultivés sur un substrat peuvent présenter de petits décalages dans la couleur émise, causés par une contrainte régionale dans le substrat. Pour prouver l’effet isotopique anormal et mesurer son ampleur afin de la comparer aux prédictions théoriques, Yu a fait croître des cristaux de disulfure de molybdène avec deux isotopes de molybdène dans un seul cristal.
«Notre travail était sans précédent en ce sens que nous avons synthétisé un matériau 2D avec deux isotopes du même élément mais avec des masses différentes, et nous avons joint les isotopes latéralement de manière contrôlée et progressive dans un seul cristal monocouche», a ajouté Kai Xiao. «Cela nous a permis d’observer l’effet isotopique anormal intrinsèque sur les propriétés optiques dans le matériau 2D sans l’interférence causée par un échantillon inhomogène.»
Perspectives pour de nouvelles applications grâce à l’ingénierie isotopique
L’étude a démontré que même un petit changement de masse isotopique dans les matériaux semi-conducteurs 2D atomiquement minces peut influencer les propriétés optiques et électroniques – une découverte qui fournit une base importante pour la poursuite des recherches.
Kai Xiao explique : «Auparavant, on pensait que pour fabriquer des dispositifs tels que les photovoltaïques et les photodétecteurs, il fallait combiner deux matériaux semi-conducteurs différents pour créer des jonctions permettant de piéger les excitons et de séparer leurs charges. Mais en réalité, nous pouvons utiliser le même matériau et simplement changer ses isotopes pour créer des jonctions isotopiques afin de piéger les excitons. Cette recherche nous indique également que grâce à l’ingénierie isotopique, nous pouvons ajuster les propriétés optiques et électroniques pour concevoir de nouvelles applications.»
Légende illustration : Il est surprenant de constater que la modification des masses isotopiques du molybdène dans une seule couche de disulfure de molybdène semi-conducteur modifie la couleur de la lumière émise lorsque la couche est éclairée. L’étude a révélé le potentiel de l’ingénierie isotopique pour concevoir de nouvelles technologies dans les matériaux 2D. Crédit : Chris Rouleau/ORNL, U.S. Dept. of Energy
Article : « Anomalous isotope effect on the optical bandgap in a monolayer transition metal dichalcogenide semiconductor » – DOi: 10.1126/sciadv.adj0758
