Les électrons et les phonons couplés s’écoulent comme de l’eau dans les semi-conducteurs 2D

Sonia Fernandez

Une condition longtemps considérée comme défavorable à la conduction électrique dans les matériaux semi-conducteurs peut en fait être bénéfique dans les semi-conducteurs 2D, selon les nouvelles découvertes des chercheurs de l’UC Santa Barbara publiées dans la revue Physical Review Letters.

Les interactions électron-phonon – collisions entre les électrons porteurs de charge et les vibrations porteuses de chaleur dans le réseau atomique du matériau – sont considérées comme la principale cause du ralentissement des électrons lorsqu’ils se déplacent dans le matériau semi-conducteur. Mais selon Bolin Liao et Yujie Quan, ingénieurs mécaniciens à l’UCSB, lorsque les électrons et les phonons sont considérés comme un seul système, ces interactions dans un matériau atomiquement fin s’avèrent en fait conserver l’élan et l’énergie totaux, ce qui pourrait avoir des implications importantes pour la conception des semi-conducteurs en 2D.

« Cela contraste fortement avec les systèmes tridimensionnels où il y a beaucoup de processus de perte d’élan », a déclaré M. Liao, qui est spécialisé dans les sciences thermiques et énergétiques.

Diffusion et flux hydrodynamique

Deux types principaux de transport d’énergie sous-tendent le concept des chercheurs : l’écoulement hydrodynamique, un processus cinétique collectif dans lequel les composants individuels d’un fluide se déplacent ensemble dans une direction générale, comme l’écoulement de l’eau dans un tuyau, et la diffusion, dans laquelle les particules subissent des marches aléatoires sous l’effet d’un gradient de concentration ou de température, comme dans la fumée. En règle générale, la conduction de la chaleur dans les solides est considérée comme un processus de diffusion.

« Il s’agit de deux processus physiques très différents », a ajouté M. Liao. Dans le cas de l’écoulement hydrodynamique, qui est plus efficace pour transporter l’énergie que la diffusion, la quantité de mouvement totale des particules est conservée au cours de leurs processus de collision. Bien qu’elles puissent entrer en collision les unes avec les autres, elles échangent leur quantité de mouvement et continuent à se déplacer ensemble.

Mais lorsque nous pensons à la conduction de la chaleur dans les matériaux, elle n’est pas transportée par de « vraies particules », poursuit M. Liao. Les phonons, que nous pouvons considérer comme des « particules de chaleur », sont le résultat des vibrations collectives des atomes du matériau, et ils ont tendance à se diffuser, avec des collisions microscopiques qui ne conservent pas la quantité de mouvement – un processus moins efficace pour le transport de l’énergie. Ce sont les interactions entre les phonons et les électrons qui provoquent le ralentissement des électrons ou le relâchement de leur quantité de mouvement. C’est la raison pour laquelle la résistance électrique des conducteurs diminue à basse température : l’absence d’énergie thermique diminue la résistance que les électrons rencontreraient dans le matériau.

Toutefois, selon Liao et Quan, la physique est différente en deux dimensions. « Ils ont des propriétés inhabituelles », a dit encore M. Liao à propos des semi-conducteurs atomiquement minces. « Par exemple, dans ces matériaux, tels que le graphène, lorsque les phonons se dispersent entre eux, on sait que leur quantité de mouvement est largement conservée. Cela est dû à la dimensionnalité différente qui impose une certaine contrainte sur la façon dont ils peuvent interagir les uns avec les autres ».

Dans leurs simulations de semi-conducteurs 2D avec de fortes interactions électron-phonon, les chercheurs ont constaté que lorsqu’ils traitaient les porteurs de charge et de chaleur comme faisant partie du même système, les interactions entre les électrons et les phonons se traduisaient par un comportement d’écoulement hydrodynamique collectif.

« Ils commencent à se déplacer ensemble comme des molécules dans un écoulement fluide », a affirmé M. Liao. « Ils dérivent ensemble à la même vitesse, comme l’écoulement d’un fluide dans un tuyau. Ce processus, appelé « hydrodynamique couplée électron-phonon », reflète la manière dont ce système combiné s’écoule comme un liquide classique. Dans ce processus, l’écoulement des fluides, la diffusion de la chaleur et même la conduction électrique « peuvent devenir très similaires ».

« Nous pouvons montrer que si l’on tient compte de ce comportement hydrodynamique, le transport de charges sur un matériau bidimensionnel peut être très efficace », a-t-il expliqué, « beaucoup plus efficace que ce que l’on pourrait attendre en regardant simplement la fréquence des collisions avec les porteurs de chaleur ».

Ces résultats ont des implications importantes pour la conception des semi-conducteurs 2D et la possibilité d’obtenir une conductivité électrique très efficace, même à température ambiante. L’un des moyens de favoriser une telle efficacité consisterait à abaisser les températures afin de réduire les collisions, explique M. Liao. « Notre nouvelle idée est qu’au lieu d’essayer de réduire la fréquence des collisions, nous pouvons simplement concevoir le matériau de manière à ce que la plupart des processus de collision préservent l’élan. » Ainsi, même si les porteurs de charge peuvent encore perdre de l’élan en raison des collisions avec les particules de chaleur, la conservation totale de l’élan du système se traduira en fin de compte par une faible dissipation et un transport très efficace.

Dans leur article, les chercheurs démontrent leur concept en étudiant le disulfure de molybdène (MoS2) d’épaisseur atomique, et constatent que la mobilité des charges peut être multipliée par près de sept lorsqu’on tient compte du comportement hydrodynamique.

« Il s’agit d’une amélioration très significative », a t-il conclu. En plus d’offrir une alternative plus pratique à la supraconductivité à très basse température, le fait de se concentrer sur la capacité du matériau à héberger des comportements électron-phonon hydrodynamiques « peut être très prometteur pour les applications microélectroniques ».

Article : « Coupled Electron-Phonon Hydrodynamics in Two-Dimensional Semiconductors » – DOI : 10.1103/PhysRevLett.134.226301

Source : UCSB