Les chercheurs intègrent en toute sécurité des matériaux 2D fragiles dans des appareils, ouvrant ainsi la voie à des propriétés électroniques uniques

Les matériaux bidimensionnels, qui n’ont que quelques atomes d’épaisseur, peuvent présenter des propriétés incroyables, telles que la capacité de transporter des charges électriques de manière extrêmement efficace, ce qui pourrait améliorer les performances des appareils électroniques de nouvelle génération.

Cependant, l’intégration de matériaux 2D dans des appareils et des systèmes tels que les puces informatiques est notoirement difficile. Ces structures ultrafines peuvent être endommagées par les techniques de fabrication conventionnelles, qui reposent souvent sur l'utilisation de produits chimiques, de températures élevées ou de processus destructeurs comme la gravure.

Pour surmonter ce défi, des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont développé une nouvelle technique permettant d'intégrer des matériaux 2D dans des dispositifs en une seule étape tout en gardant les surfaces des matériaux et les interfaces résultantes intactes et exemptes de défauts.

Leur méthode repose sur les forces d’ingénierie de surface disponibles à l’échelle nanométrique pour permettre au matériau 2D d’être physiquement empilé sur d’autres couches de dispositifs prédéfinies. Le matériau 2D restant intact, les chercheurs peuvent profiter pleinement de ses propriétés optiques et électriques uniques.

Ils ont utilisé cette approche pour fabriquer des réseaux de transistors 2D offrant de nouvelles fonctionnalités par rapport aux dispositifs produits à l'aide de techniques de fabrication conventionnelles. Leur méthode, suffisamment polyvalente pour être utilisée avec de nombreux matériaux, pourrait avoir diverses applications dans les domaines du calcul haute performance, de la détection et de l’électronique flexible.

Au cœur du déverrouillage de ces nouvelles fonctionnalités réside la capacité de former des interfaces propres, maintenues ensemble par des forces spéciales qui existent entre toute la matière, appelées forces de Van der Waals.

Cependant, une telle intégration de matériaux par Van der Waals dans des dispositifs entièrement fonctionnels n'est pas toujours facile, explique Farnaz Niroui, professeur adjoint de génie électrique et d'informatique (EECS), membre du Laboratoire de recherche en électronique (RLE) et auteur principal de un nouvel article décrivant le travail.

“L'intégration de Van der Waals présente une limite fondamentale”, explique-t-elle. “Étant donné que ces forces dépendent des propriétés intrinsèques des matériaux, elles ne peuvent pas être facilement ajustées. En conséquence, certains matériaux ne peuvent pas être directement intégrés les uns aux autres en utilisant uniquement leurs interactions de Van der Waals. Nous avons développé une plate-forme pour répondre cette limite pour contribuer à rendre l'intégration de van der Waals plus polyvalente, afin de promouvoir le développement de dispositifs basés sur des matériaux 2D dotés de fonctionnalités nouvelles et améliorées.

La recherche sera publiée dans Électronique naturelle.

Attrait avantageux

Fabriquer des systèmes complexes tels qu’une puce informatique avec des techniques de fabrication conventionnelles peut s’avérer compliqué. Généralement, un matériau rigide tel que le silicium est ciselé à l'échelle nanométrique, puis interfacé avec d'autres composants tels que des électrodes métalliques et des couches isolantes pour former un dispositif actif. Un tel traitement peut endommager les matériaux.

Récemment, les chercheurs se sont concentrés sur la construction de dispositifs et de systèmes de bas en haut, en utilisant des matériaux 2D et un processus nécessitant un empilement physique séquentiel. Dans cette approche, plutôt que d’utiliser des colles chimiques ou des températures élevées pour lier un matériau 2D fragile à une surface conventionnelle comme le silicium, les chercheurs exploitent les forces de Van der Waals pour intégrer physiquement une couche de matériau 2D sur un appareil.

Les forces de Van der Waals sont des forces d’attraction naturelles qui existent entre toute matière. Par exemple, les pattes d'un gecko peuvent adhérer temporairement au mur en raison des forces de Van der Waals.

Bien que tous les matériaux présentent une interaction de Van der Waals, selon le matériau, les forces ne sont pas toujours suffisamment fortes pour les maintenir ensemble. Par exemple, un matériau semi-conducteur 2D populaire connu sous le nom de bisulfure de molybdène adhère à l'or, un métal, mais ne se transfère pas directement aux isolants comme le dioxyde de silicium en entrant simplement en contact physique avec cette surface.

Cependant, les hétérostructures réalisées en intégrant des couches semi-conductrices et isolantes sont des éléments essentiels d’un dispositif électronique. Auparavant, cette intégration était possible en liant le matériau 2D à une couche intermédiaire comme l'or, puis en utilisant cette couche intermédiaire pour transférer le matériau 2D sur l'isolant avant de retirer la couche intermédiaire à l'aide de produits chimiques ou à haute température.

Au lieu d'utiliser cette couche sacrificielle, les chercheurs du MIT intègrent l'isolant à faible adhérence dans une matrice à haute adhérence. Cette matrice adhésive permet au matériau 2D d'adhérer à la surface à faible adhérence intégrée, fournissant ainsi les forces nécessaires pour créer une interface van der Waals entre le matériau 2D et l'isolant.

Faire la matrice

Pour fabriquer des appareils électroniques, ils forment une surface hybride de métaux et d’isolants sur un substrat porteur. Cette surface est ensuite décollée et retournée pour révéler une surface supérieure complètement lisse contenant les éléments constitutifs de l'appareil souhaité.

Cette douceur est importante car les écarts entre la surface et le matériau 2D peuvent gêner les interactions de Van der Waals. Ensuite, les chercheurs préparent le matériau 2D séparément dans un environnement totalement propre et le mettent en contact direct avec la pile de dispositifs préparée.

“Une fois que la surface hybride est mise en contact avec la couche 2D, sans avoir besoin de températures élevées, de solvants ou de couches sacrificielles, elle peut capter la couche 2D et l'intégrer à la surface. De cette façon, nous permettons à Van der Waals une intégration qui serait traditionnellement interdite mais qui est désormais possible et permet la formation de dispositifs pleinement fonctionnels en une seule étape”, explique Satterthwaite.

Ce processus en une seule étape maintient l'interface du matériau 2D complètement propre, ce qui permet au matériau d'atteindre ses limites fondamentales de performance sans être freiné par des défauts ou une contamination.

Et comme les surfaces restent également intactes, les chercheurs peuvent concevoir la surface du matériau 2D pour former des caractéristiques ou des connexions avec d'autres composants. Par exemple, ils ont utilisé cette technique pour créer des transistors de type p, généralement difficiles à réaliser avec des matériaux 2D. Leurs transistors se sont améliorés par rapport aux études précédentes et peuvent fournir une plate-forme pour étudier et atteindre les performances nécessaires à l'électronique pratique.

Leur approche peut être mise en œuvre à grande échelle pour créer des gammes plus larges d’appareils. La technique de la matrice adhésive peut également être utilisée avec une gamme de matériaux et même avec d’autres forces pour améliorer la polyvalence de cette plateforme. Par exemple, les chercheurs ont intégré du graphène sur un appareil, formant les interfaces van der Waals souhaitées à l'aide d'une matrice constituée d'un polymère. Dans ce cas, l’adhésion repose sur des interactions chimiques plutôt que sur les seules forces de Van der Waals.

À l’avenir, les chercheurs souhaitent s’appuyer sur cette plate-forme pour permettre l’intégration d’une bibliothèque diversifiée de matériaux 2D afin d’étudier leurs propriétés intrinsèques sans l’influence des dommages causés par le traitement et développer de nouvelles plates-formes de dispositifs exploitant ces fonctionnalités supérieures.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.