Des films isolants d’un atome d’épaisseur : l’avenir des composants électroniques miniatures

Une équipe internationale de chercheurs a mis au point une méthode permettant de produire un matériau isolant utile sous forme de films de qualité exceptionnelle d’une épaisseur d’un atome seulement et adaptée à la production à l’échelle industrielle.

Le matériau, appelé nitrure de bore hexagonal (hBN), est utilisé dans les dispositifs semi-conducteurs et peut également améliorer les performances d’autres matériaux bidimensionnels (2D) tels que le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition (TMD).

Les chercheurs peuvent combiner des matériaux 2D pour construire de minuscules composants électroniques destinés à l’informatique quantique, aux communications électroniques et à d’autres applications. Alors que la plupart des matériaux 2D conduisent l’électricité, le hBN est l’un des rares à être isolant, ce qui en fait un composant indispensable dans bon nombre de ces dispositifs.

En laboratoire, les paillettes de hBN sont souvent prélevées sur des échantillons en vrac du matériau, une approche qui prend du temps et limite la taille et qui n’est pas adaptée à la fabrication de masse. Par ailleurs, un processus industriel appelé dépôt chimique en phase vapeur (CVD) peut produire du hBN en décomposant un précurseur appelé ammoniaque-borane. Les atomes de bore et d’azote libérés par le précurseur forment alors des îlots triangulaires de hBN sur une feuille de cuivre, et ces îlots s’agrandissent progressivement jusqu’à ce qu’ils se rejoignent pour former un réseau continu en nid d’abeille.

L’équipe a amélioré ce processus en faisant croître le hBN à partir d’îlots hexagonaux, produisant ainsi un film de meilleure qualité. « Les îlots hexagonaux présentent moins de défauts, ce qui rend le film final plus uniforme et plus fiable », explique Xixiang Zhang du KAUST. La méthode repose sur l’ajout d’une trace d’oxygène au cours du processus de croissance.

Comme les îlots de hBN se développent sur le cuivre, leurs bords peuvent être des zigzags d’atomes de bore ou d’azote. Dans les îlots triangulaires, les trois bords sont constitués d’atomes d’azote. En revanche, les îlots hexagonaux formés par la nouvelle méthode ont trois arêtes d’azote et trois arêtes de bore.

Les calculs théoriques des chercheurs montrent que les arêtes d’azote sont généralement plus stables sur le plan énergétique que les arêtes de bore, ce qui explique la formation d’îlots triangulaires lors du dépôt en phase vapeur. Mais l’oxygène interagit avec les îlots et la feuille de cuivre d’une manière qui confère aux arêtes d’azote et de bore une stabilité presque identique. Cela signifie que les deux types d’arêtes peuvent croître à la même vitesse, ce qui génère des îlots hexagonaux.

Les chercheurs ont utilisé des techniques telles que la microscopie à force atomique et la microscopie électronique à transmission à haute résolution pour étudier les îlots et les films formés par leur méthode. Ils ont constaté que cette méthode permet de créer des films monocristallins de hBN exempts de trous d’épingle, présentant de faibles densités de défauts, une épaisseur uniforme et d’excellentes propriétés isolantes. « Cela le rend particulièrement adapté aux dispositifs électroniques à matériaux 2D de haute performance et offre une robustesse accrue pour les nanodispositifs », ajoute Bo Tian, qui faisait partie de l’équipe de la KAUST et qui est maintenant basé à l’université technologique de Nanyang à Singapour.

L’équipe a utilisé cette méthode pour faire croître un film de hBN de 25 x 70 mm, et il devrait être possible d’obtenir des surfaces plus importantes. « Le processus n’est plus limité par le système de dépôt chimique en phase vapeur ou par la taille du substrat, et il est donc adapté à la production industrielle », explique M. Tian. Les chercheurs étudient à présent plus en détail le mécanisme de croissance du hBN par CVD, afin d’améliorer encore la qualité et d’augmenter la taille des films qu’ils peuvent produire.

Légende illustration : Le nitrure de bore hexagonal (hBN), un matériau isolant d’une épaisseur d’un atome seulement, peut être produit à l’échelle industrielle. Il est utilisé dans les dispositifs semi-conducteurs et améliore les performances d’autres matériaux 2D. 2024 KAUST.

Li, J., Samad, A., Yuan, Y., Wang, Q., Hedhili, M. N., Lanza, M., Schwingenschlögl, U., Abate, I., Akinwande, D., Liu, Z., Tian, B. & Zhang, X. Single-crystal hBN monolayers from aligned hexagonal islands. Nature Communications 15, 8589 (2024).| Article

Source : KAUST – Traduction Enerzine.com