Des chercheurs de l’EPFL ont démontré qu’il était possible de fabriquer un canal électrique large de quelques atomes au sein de matériaux bidimensionnels isolants. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs électroniques et photovoltaïques.
Dans le monde de l’infiniment petit, des phénomènes inattendus peuvent apparaître à l’interface entre deux matériaux, lorsqu’ils sont combinés artificiellement. A l’EPFL, des scientifiques ont démontré via des simulations qu’il était possible de générer un courant électrique large de quelques atomes, dans la zone de contact entre différentes feuilles de matériaux isolants. Leur travail a été publié dans Nature Communications. Il pourrait permettre de développer des micro et nano dispositifs électroniques encore plus petits et plus performants, mais aussi de créer un nouveau genre de cellules solaires.
Des matériaux en deux dimensions
Pour générer ces minuscules canaux conducteurs, les chercheurs ont pris en compte des matériaux bidimensionnels, c’est-à-dire des feuilles de matériaux épaisses de quelques atomes, ou parfois même constituées d’une seule couche d’atomes. Tout comme le graphène, ces matériaux aux propriétés étonnantes sont composés d’atomes organisés en structure hexagonale, à l’image des alvéoles des ruches d’abeilles. La différence, c’est que le graphène est conducteur, et n’est composé que d’atomes de carbone. Les nouveaux matériaux bidimensionnels qui ont été étudiés sont quant à eux non-conducteurs, et peuvent contenir plusieurs types d’atomes.
Les chercheurs ont notamment utilisé le nitrure de bore (BN), qui est composé de deux sortes d’atomes. A l’état naturel, une « feuille » de nitrure de Bore agit comme un isolant, et ne peut donc pas conduire de courant électrique. La technique des chercheurs permet cependant d’y développer des «pistes» conductrices pour les électrons, après une légère modification chimique.
Un sandwich en protons
La création des pistes d’électrons se déroule en deux phases. Il s’agit de fixer, sur une feuille de nitrure de Bore, un proton -ou atome d’Hydrogène- au-dessus de chaque atome de bore (B), et un autre au-dessous de chaque atome d’azote (N). La feuille modifiée est ainsi prise en sandwich entre les atomes d’Hydrogène.
Lorsque la feuille «dopée» est mise en contact avec une feuille «non-dopée», un canal conducteur large de quelques atomes apparaît. Cette piste, située à l’interface entre les deux feuilles, permet de faire circuler les électrons de façon très précise et contrôlée, lorsqu’une tension est appliquée. «Prises séparément, la feuille modifiée chimiquement et la feuille vierge ne sont pas conductrices», précise Giovanni Pizzi, co-auteur de l’étude. «C’est seulement en les combinant l’une à l’autre que le canal apparaît».
Les applications potentielles liées à ces simulations sont nombreuses. Les nouvelles pistes conductrices pourraient notamment servir au développement de dispositifs micro- et nanoélectroniques plus compacts et plus puissants. «Les pistes réalisée par lithographie traditionnelle ne descendent pas au-dessous de vingt nanomètres, soit au moins une centaine d’atomes», indique Giovanni Pizzi. «D’une largeur de quelques atomes, nos fils pourraient connecter les différents processeurs d’une nanopuce en prenant bien moins de place que les fils actuels, par exemple.»
Un nouveau modèle de cellule solaire
On peut également envisager d’utiliser ces minuscules canaux conducteurs pour fabriquer un genre nouveau de cellules solaires ultrafines et flexibles. Dans un matériau doté de canaux parallèles, les électrons excités par la lumière du soleil se déplacent vers les pistes conductrices. « Il suffit ensuite de relier les canaux pour obtenir un courant électrique », explique Marco Gibertini, également co-auteur de l’étude.
Vers des tests expérimentaux
Grâce à leur travail de simulation, les chercheurs de l’EPFL espèrent attirer l’attention de spécialistes du domaine expérimental, afin qu’ils procèdent à des tests en situation réelle. «Nous fournissons dans notre étude un calcul simple que les chercheurs peuvent effectuer pour savoir si tel ou tel matériau formera ces fils conducteurs, après modification chimique, précise Marco Gibertini. Notre idée repose sur des travaux réalisés sur des matériaux en trois dimensions. Nous avons par ailleurs pris en exemple des matériaux et des techniques expérimentales existants. La partie expérimentale devrait de ce fait en être facilitée», ajoute-t-il.
