Cultiver des matériaux ultra-purs innovants pour l’électronique de demain

Jamie Oberdick

L’association d’éléments comme le soufre, le sélénium ou le tellure avec des métaux produit des composés dont les interactions atomiques leur confèrent des comportements électriques, optiques et magnétiques inhabituels et utiles. Ces matériaux, appelés chalcogénures, sont au cœur des travaux de Qihua « David » Zhang en tant que chercheur postdoctoral au sein du Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC) de Penn State, dans le laboratoire de Stephanie Law , Wilson Family Fellow et professeure associée en science et génie des matériaux. Zhang a récemment reçu le prix 2025 de la division Thin Film de l’American Vacuum Society pour ses contributions à la croissance de ces matériaux avec une pureté et une précision extrêmes.

Dans la Q&R suivante, Zhang offre un aperçu d’un domaine en rapide évolution qui, selon lui, pourrait transformer les appareils futurs. Il revient également sur le rôle du 2DCC, une plateforme d’innovation matérielle et une installation nationale d’utilisateurs de la NSF, dans la définition de ses recherches et sur ce qu’il espère contribuer à rendre possible dans les années à venir.

Q : Pourquoi les matériaux chalcogénures sont-ils considérés comme prometteurs pour l’électronique de nouvelle génération ?

Zhang : Certains des matériaux bidimensionnels ultra-minces les plus prometteurs d’aujourd’hui, ainsi que des matériaux tridimensionnels plus récents comme le tellurure d’étain et le tellurure de manganèse, appartiennent tous à la famille des chalcogénures. Chaque type de chalcogénure peut avoir ses propres propriétés électriques, optiques et magnétiques uniques, mais nombre de ces caractéristiques ne sont pas encore pleinement comprises car les études antérieures étaient limitées par des matériaux qui n’étaient pas fabriqués avec une pureté ou une précision suffisante. Mon objectif est de faire croître ces matériaux avec une qualité extrêmement élevée et un contrôle strict de leur composition/stœchiométrie afin que nous puissions enfin découvrir ce dont ils sont réellement capables.

Q : Comment créez-vous des films minces de matériaux chalcogénures extrêmement purs et précis ?

Zhang : L’épitaxie par jet moléculaire (MBE) est une technique de synthèse de matériaux qui se déroule dans un environnement à ultra-haut vide et utilise des sources élémentaires de haute pureté. Le vide quasi parfait élimine virtuellement les contaminants comme le carbone, l’oxygène et l’hydrogène, qui agissent comme des défauts dégradant les performances des dispositifs fabriqués. En conséquence, les films obtenus par MBE atteignent régulièrement une qualité cristalline immaculée et une pureté chimique inégalées par la plupart des autres méthodes. La MBE permet également un contrôle de la croissance couche par couche avec une précision extrême, ce qui nous permet de suivre la composition, l’épaisseur, la phase et plus encore du matériau. La combinaison de toutes ces fonctionnalités nous permet de « régler » le matériau avec une précision à l’échelle atomique, ce qui est essentiel pour la fabrication de dispositifs haute performance et la découverte de nouveaux phénomènes quantiques.

Q : Quel impact le 2DCC a-t-il eu sur vos recherches ?

Zhang : La décision de rejoindre le 2DCC de Penn State en tant que postdoctorant a été un choix très enrichissant pour ma carrière. Nous avons de nombreux scientifiques talentueux qui travaillent tous vers un objectif commun : faire progresser la recherche et le développement des matériaux 2D. Les personnes ici sont professionnelles, patientes et collaboratives. Je suis particulièrement reconnaissant envers ma conseillère, la professeure Stephanie Law, de m’avoir emmené dans cette aventure et de m’avoir tant appris — non seulement des connaissances, mais aussi à toujours penser de manière critique et profonde, et à transformer des idées audacieuses en véritables découvertes. Bien que mon parcours de recherche n’ait pas porté sur les matériaux 2D, elle a toujours été patiente et encourageante, ce qui m’a beaucoup aidé à me familiariser avec ce domaine. De plus, j’ai eu de nombreuses occasions de collaborer avec des utilisateurs externes, qui nous ont souvent apporté de nouvelles idées sur de nouveaux matériaux 2D et/ou des hétérostructures 2D innovantes ; et nous, en tant que 2DCC, fournissons la synthèse, la caractérisation et les études théoriques pour concrétiser leurs idées. Grâce à ces expériences, j’ai acquis énormément de connaissances, comme de nouvelles techniques de caractérisation, la génération de nouvelles idées de recherche et la recherche des bons collaborateurs.

Q : Qu’espérez-vous que vos recherches permettront à l’avenir ?

Zhang : Mon objectif de recherche a toujours été de me concentrer sur la synthèse de films minces immaculés — avec une qualité structurelle et cristalline élevée et une surface lisse — car je crois qu’ils libéreront des performances exceptionnelles lorsqu’ils seront fabriqués en dispositifs. De plus, beaucoup de ces comportements dépendent fortement des éléments qui les constituent, du rapport précis de ces éléments et de l’uniformité avec laquelle les atomes de ces éléments sont disposés dans une structure cristalline unique et bien définie. Ainsi, synthétiser des matériaux immaculés sera essentiel pour découvrir ces propriétés. Je souhaite réaliser ces films minces avec un ordre structurel et magnétique suffisamment élevé pour que nous puissions découvrir et évaluer ces propriétés matérielles uniques.

Source : Penn State U.