Un microréacteur révèle les secrets de croissance des semiconducteurs 2D en temps réel

Alors que la miniaturisation des dispositifs semiconducteurs à base de silicium approche de ses limites physiques fondamentales, l’industrie électronique fait face à un besoin urgent de matériaux alternatifs capables d’offrir une intégration plus élevée et une consommation d’énergie réduite. Les semiconducteurs bidimensionnels (2D), qui n’ont qu’un atome d’épaisseur, sont apparus comme des candidats prometteurs en raison de leurs propriétés électroniques et optiques uniques. Cependant, malgré un intérêt de recherche intense, le contrôle de la croissance de cristaux semiconducteurs 2D de haute qualité demeure un défi scientifique et technologique majeur. 

Une équipe de recherche dirigée par le professeur associé de recherche Hiroo Suzuki du Département de génie électrique et de communication de l’Université d’Okayama, au Japon, en collaboration avec le Dr Kaoru Hisama de l’Université de Shinshu et le Dr Shun Fujii de l’Université Keio, a surmonté un obstacle clé en observant directement comment ces matériaux se développent à l’échelle atomique. En utilisant un système d’observation in situ avancé, les chercheurs ont capturé des images en temps réel de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) monocouches se formant à l’intérieur d’un espace de réaction micro-confiné.  

Ces travaux s’appuient sur un succès antérieur de l’équipe dans la synthèse de monocristaux TMDC monocouches de grande surface en utilisant un microréacteur à substrats empilés. Bien que cette méthode produise systématiquement des matériaux de haute qualité, les mécanismes régissant la croissance cristalline à l’intérieur de l’espace confiné étaient mal compris.

« Nous pouvions fabriquer d’excellents cristaux, mais nous ne savions pas exactement comment ils se formaient, » explique le Dr Suzuki. « Sans cette compréhension, il est difficile de concevoir de manière fiable des matériaux pour des applications spécifiques en électronique. »

Pour combler cette lacune, les chercheurs ont développé un système de dépôt chimique en phase vapeur chauffé par infrarouge qui leur a permis d’observer la croissance cristalline en temps réel. En ajustant soigneusement la concentration des précurseurs et l’apport de soufre, ils ont identifié plusieurs régimes de croissance avec des formes et des comportements cristallins distincts. Dans certaines conditions, des cristaux triangulaires conventionnels se formaient. Dans d’autres, de grands cristaux hexagonaux s’étendaient rapidement avec des gouttelettes de précurseur fondu s’accumulant le long de leurs bords. Dans des environnements riches en soufre, des cristaux en forme de ruban émergeaient, se courbant et changeant de direction en réponse aux caractéristiques à l’échelle atomique du substrat. 

L’une des observations les plus frappantes a été le comportement dynamique des gouttelettes de précurseur fondu. L’équipe a découvert que l’incorporation de soufre abaissait le point de fusion et la tension de surface du précurseur, augmentant la mobilité des gouttelettes. Ces gouttelettes migraient à travers le substrat via des gradients de tension de surface, un phénomène connu sous le nom d’effet Marangoni, alimentant continuellement le cristal en croissance en matériau. « Observer le déplacement des gouttelettes et leur contribution directe à la croissance cristalline a été un tournant, » explique le Dr Hisama. « Cela nous a permis de confirmer des mécanismes de croissance qui n’avaient jusqu’alors été qu’inférés. » 

En révélant comment la forme et la qualité des cristaux dépendent des conditions de croissance, l’étude fournit un cadre pratique pour concevoir des semiconducteurs bidimensionnels avec une précision inédite. Ce contrôle est essentiel pour surmonter les limitations actuelles des circuits intégrés semiconducteurs, qui peinent à atteindre une miniaturisation et une efficacité énergétique accrues avec le silicium seul. 

Les implications vont au-delà de l’électronique conventionnelle. Des semiconducteurs 2D précisément conçus pourraient conduire à des smartphones plus rapides et économes en énergie, à des capteurs flexibles et portables, et à des dispositifs compacts de production d’énergie locale. À plus long terme, ces découvertes pourraient soutenir le développement de plateformes semiconductrices hautement intégrées et à faible consommation pour l’intelligence artificielle et les systèmes d’Internet de Tout, y compris les technologies de surveillance avancées dans les secteurs de la santé et du bien-être. 

Le Dr Suzuki a souligné l’importance de l’étude et déclaré : « Cette recherche montre que l’observation directe est la clé d’un véritable contrôle des matériaux. En comprenant comment les semiconducteurs bidimensionnels croissent, nous pouvons concevoir la prochaine génération de dispositifs électroniques à partir du niveau atomique. »

Article : Inside the Microreactor: In Situ Real-Time Observation of Vapor–Liquid–Solid Growth of Monolayer TMDCs – Journal : Advanced Science – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Okayma U.