Les semi-conducteurs sont au cœur de presque tous les appareils électroniques. Cependant, leur fabrication nécessite beaucoup d’énergie. Une nouvelle matière semi-conductrice appelée « encre multiélements » pourrait rendre ce processus moins énergivore et plus durable.
Un nouveau matériau pour une industrie plus durable
La fabrication de semi-conducteurs à partir de sable (oxyde de silicium) consomme une quantité importante d’énergie thermique, à des températures avoisinant les 2 700 degrés Fahrenheit. De plus, le processus de purification et d’assemblage de toutes les matières premières nécessaires à la fabrication d’un semi-conducteur peut prendre des semaines, voire des mois.
Le matériau semi-conducteur «encre multiélements» a été développé par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l’UC Berkeley. Il s’agit du premier semi-conducteur « à haute entropie » pouvant être traité à basse température ou à température ambiante. Cette avancée a été récemment rapportée dans la revue Nature.
Deux familles de matériaux uniques
L’innovation repose sur l’utilisation de deux familles de matériaux semi-conducteurs uniques : des alliages durs composés de semi-conducteurs à haute entropie et un matériau souple et flexible constitué de pérovskites halogénées cristallines. Les matériaux à haute entropie sont des solides composés de cinq éléments chimiques différents ou plus qui s’auto-assemblent en proportions quasi égales dans un seul système.
Les pérovskites halogénées sont facilement traitées à partir d’une solution à basse température, ce qui pourrait un jour réduire considérablement les coûts énergétiques pour les fabricants de semi-conducteurs.
Des cristaux de pérovskite à haute entropie
Dans cette étude, les chercheurs ont synthétisé des cristaux de pérovskite halogénée à haute entropie à partir d’une solution à température ambiante ou à basse température (80 degrés Celsius ou 176 degrés Fahrenheit). Les expériences menées au Berkeley Lab’s Advanced Light Source ont confirmé que les cristaux obtenus étaient bien des cristaux de pérovskite halogénée à haute entropie.
La technique à basse température/à température ambiante permet de produire des semi-conducteurs monocristallins en quelques heures seulement, bien plus rapidement que les techniques de fabrication de semi-conducteurs conventionnelles.
Applications potentielles
L’encre multiélements présente plusieurs applications potentielles, notamment en tant que LED à couleur modulable ou autre dispositif d’éclairage à semi-conducteurs, ou en tant que thermoélectrique pour la récupération de chaleur perdue. De plus, le matériau pourrait éventuellement servir de composant programmable dans un dispositif de calcul optique utilisant la lumière pour transférer ou stocker des données.
En synthèse
Le développement de l’encre multiélements, un matériau semi-conducteur à haute entropie, pourrait ouvrir la voie à une industrie des semi-conducteurs plus durable et moins énergivore. Grâce à ses propriétés uniques et à sa capacité à être traité à basse température ou à température ambiante, ce matériau pourrait révolutionner la fabrication de semi-conducteurs et offrir de nouvelles applications dans divers domaines, tels que l’éclairage et le calcul optique.
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Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que l’encre multiélements ?
L’encre multiélements est un nouveau matériau semi-conducteur à haute entropie développé par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l’UC Berkeley. Il peut être traité à basse température ou à température ambiante, ce qui pourrait rendre la fabrication de semi-conducteurs plus durable et moins énergivore.
2. Quelles sont les deux familles de matériaux utilisées ?
Les chercheurs ont utilisé deux familles de matériaux semi-conducteurs uniques : des alliages durs composés de semi-conducteurs à haute entropie et un matériau souple et flexible constitué de pérovskites halogénées cristallines.
3. Comment sont synthétisés les cristaux de pérovskite à haute entropie ?
Les cristaux de pérovskite halogénée à haute entropie sont synthétisés à partir d’une solution à température ambiante ou à basse température (80 degrés Celsius ou 176 degrés Fahrenheit). Cette technique permet de produire des semi-conducteurs monocristallins en quelques heures seulement.
4. Quelles sont les applications potentielles de l’encre multiélements ?
L’encre multiélements pourrait être utilisée dans des LED à couleur modulable, des dispositifs d’éclairage à semi-conducteurs, des thermoélectriques pour la récupération de chaleur perdue, ou encore comme composant programmable dans un dispositif de calcul optique utilisant la lumière pour transférer ou stocker des données.
5. Quels sont les avantages de l’encre multiélements ?
L’encre multiélements présente plusieurs avantages par rapport aux semi-conducteurs traditionnels, notamment une fabrication moins énergivore, un traitement à basse température ou à température ambiante, et une production plus rapide de semi-conducteurs monocristallins.
Image photoluminescente du logo des California Golden Bears émise par des monocristaux de ZrSnTeHfPt à cinq éléments sous l’excitation d’une lampe UV. Les cristaux ont été formés à partir d’une « encre multiéléments ». L’expérience démontre le potentiel du matériau en tant que dispositif LED à couleur réglable. Crédit : Maria Folgueras and Peidong Yang/Berkeley Lab
Article : « High-entropy halide perovskite single crystals stabilized by mild chemistry » – DOi: 10.1038/s41586-023-06396-8
