Les futurs dispositifs continueront d’explorer la frontière de l’infiniment petit, et à des échelles où la fonctionnalité dépend de quelques atomes, la plus infime imperfection compte.
Des chercheurs de l’Université Rice ont montré que des défauts difficiles à détecter dans un isolant bidimensionnel très utilisé peuvent piéger des charges électriques et affaiblir localement le matériau, augmentant ainsi le risque de panne à des tensions plus basses. Ces résultats sont publiés dans Nano Letters.
« En montrant des moyens pratiques de détecter quand et où ces défauts se forment, nous aidons à rendre les futurs dispositifs plus fiables et reproductibles », explique Hae Yeon Lee, professeure adjointe en science des matériaux et nano-ingénierie à Rice et auteure correspondante de l’étude.
La construction d’électronique ultramince, comme des transistors avancés, des photodétecteurs et des dispositifs quantiques, implique d’empiler des feuillets de différents matériaux 2D les uns sur les autres pour former des « hétérostructures ». Le nitrure de bore hexagonal (hBN), prisé pour sa planéité atomique et sa stabilité chimique, est un composant de base courant.
« La solidité, la couleur et les comportements électriques d’un matériau proviennent de la façon dont ses atomes sont arrangés », souligne Lee. « Cependant, les matériaux réels ne sont pas parfaits. Dans le hBN, nous avons découvert que de longs et étroits désalignements peuvent survenir – un peu comme les plis qui se forment lorsque quelques pages d’un livre glissent. Ces défauts cachés se forment facilement et sont tout aussi faciles à manquer. »
Les chercheurs ont décollé de minces flocons de hBN d’un cristal massif à l’aide de ruban adhésif, puis les ont transférés sur des plaquettes de silicium et de dioxyde de silicium. Ils soupçonnaient que cette manipulation routinière pouvait courber les feuillets, provoquant des défauts appelés fautes d’empilement.
« Pour tester cela, nous avons imagé les mêmes flocons de hBN avant et après le transfert », affirme Lee.
Sous un microscope optique ordinaire ou à force atomique, les flocons semblaient lisses et intacts. Ensuite, à la Shared Equipment Authority de Rice, ils ont examiné les échantillons par spectroscopie de cathodoluminescence – une technique qui balaie un matériau avec un faisceau d’électrons et enregistre la lumière qu’il émet.
« Le hBN émet une lumière ultraviolette profonde que beaucoup de laboratoires ne peuvent pas exciter facilement », précise Lee. « Cette carte d’émission a révélé de brillantes et étroites fautes d’empilement que les autres méthodes manquent – une des raisons pour lesquelles elles ont été négligées. »
Les fautes se forment plus facilement dans les flocons plus épais. De plus, le changement de structure entraîne un changement de performance du matériau.
« Ces défauts cachés agissent comme de minuscules poches de charges et affaiblissent l’isolation : le même hBN peut commencer à fuir l’électricité à une tension bien plus basse le long des défauts que dans les zones voisines », révèle Lee.
Cela signifie que deux dispositifs construits de la même manière peuvent se comporter différemment si l’un contient ces lignes de faille.
En combinant microscopie électronique, cartographie par cathodoluminescence et mesures basées sur la force, l’équipe a développé un moyen pratique de repérer ces défauts avant qu’ils ne compromettent un dispositif. L’approche peut également être appliquée à d’autres matériaux lamellaires.
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Article : Hidden stacking fault charge traps in hBN and their impact on dielectric breakdown – Journal : Nano Letters – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Rice U.
