Les cristaux de bismuth ultra-fins : une avancée vers l’électronique flexible

Les chercheurs de l’Université de Californie, Irvine, ont mis au point une méthode innovante pour fabriquer des cristaux ultra-fins de bismuth, ouvrant ainsi la voie à la production d’électronique flexible et abordable. Cette technique pourrait faciliter la production d’électronique flexible et économique.

« Le bismuth fascine les scientifiques depuis plus de cent ans en raison de son faible point de fusion et de ses propriétés électroniques uniques », a indiqué Javier Sanchez-Yamagishi, professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’UC Irvine et co-auteur de l’étude. « Nous avons développé une nouvelle méthode pour fabriquer des cristaux très fins de matériaux tels que le bismuth, révélant ainsi des comportements électroniques cachés des surfaces du métal. »

Des feuilles de bismuth de quelques nanomètres d’épaisseur

Les feuilles de bismuth produites par l’équipe ne mesurent que quelques nanomètres d’épaisseur. Sanchez-Yamagishi a expliqué que les théoriciens avaient prédit que le bismuth contient des états électroniques spéciaux lui permettant de devenir magnétique lorsqu’un courant électrique le traverse, une caractéristique essentielle pour les dispositifs électroniques quantiques basés sur le spin magnétique des électrons.

Un des comportements cachés observés par l’équipe est celui des oscillations quantiques provenant des surfaces des cristaux.

« Les oscillations quantiques résultent du mouvement d’un électron dans un champ magnétique », a ajouté Laisi Chen, doctorant en physique et astronomie à l’UC Irvine et l’un des principaux auteurs de l’article. « Si l’électron peut compléter une orbite complète autour d’un champ magnétique, il peut exhiber des effets importants pour la performance des appareils électroniques. Les oscillations quantiques ont été découvertes pour la première fois dans le bismuth dans les années 1930, mais n’ont jamais été observées dans des cristaux de bismuth de quelques nanomètres d’épaisseur. »

Une méthode de fabrication inspirée de la cuisine

Amy Wu, doctorante en physique dans le laboratoire de Sanchez-Yamagishi, a comparé la nouvelle méthode de l’équipe à une presse à tortilla. Pour fabriquer les feuilles ultra-fines de bismuth, elle a indiqué qu’ils devaient écraser le bismuth entre deux plaques chauffantes.

Pour obtenir des feuilles aussi plates, ils ont utilisé des plaques de moulage parfaitement lisses au niveau atomique, sans imperfections microscopiques.

« Nous avons ensuite fabriqué une sorte de quesadilla ou de panini où le bismuth est la garniture fromagée et les tortillas sont les surfaces atomiquement plates », a détaillé la chercheuse.

« Il y a eu un moment de nervosité où nous avions passé plus d’un an à fabriquer ces magnifiques cristaux fins, mais nous ne savions pas si leurs propriétés électriques seraient extraordinaires », a précisé Sanchez-Yamagishi. « Mais lorsque nous avons refroidi le dispositif dans notre laboratoire, nous avons été étonnés d’observer des oscillations quantiques, qui n’avaient jamais été vues auparavant dans des films fins de bismuth. »

Vers de nouvelles applications et matériaux

« La compression est une technique de fabrication très courante utilisée pour fabriquer des matériaux ménagers courants tels que le papier d’aluminium, mais elle n’est pas couramment utilisée pour fabriquer des matériaux électroniques comme ceux de vos ordinateurs », a ajouté Sanchez-Yamagishi. « Nous pensons que notre méthode pourra être généralisée à d’autres matériaux, tels que l’étain, le sélénium, le tellure et les alliages apparentés à faible point de fusion, et qu’il pourrait être intéressant de l’explorer pour les futurs circuits électroniques flexibles. »

Ensuite, l’équipe souhaite explorer d’autres façons dont les méthodes de compression et de moulage par injection peuvent être utilisées pour fabriquer les prochaines puces informatiques pour téléphones ou tablettes.

« Nos nouveaux membres d’équipe apportent des idées passionnantes à ce projet, et nous travaillons sur de nouvelles techniques pour obtenir un contrôle accru sur la forme et l’épaisseur des cristaux de bismuth cultivés », a conclu Laisi Chen. « Cela simplifiera la fabrication des dispositifs et rapprochera d’un pas la production de masse. »

Légende illustration : En pressant le bismuth entre des plaques de moulage atomiquement lisses fabriquées à partir d’un matériau appelé nitrure de bore hexagonal, on obtient des cristaux extrêmement fins et plats aux propriétés électroniques quantiques uniques. Credit: Eli Krantz / Krantz NanoArt

Article : « Exceptional electronic transport and quantum oscillations in thin bismuth crystals grown inside van der Waals materials » – DOI: https://www.nature.com/articles/s41563-024-01894-0