Les scientifiques observent une mobilité électronique record dans un nouveau film cristallin

Un matériau doté d’une grande mobilité électronique est comparable à une autoroute sans circulation. Tous les électrons qui y pénètrent vivent une expérience de rêve, en passant sans aucun obstacle ou congestion susceptible de les ralentir ou de les disperser.

Plus la mobilité électronique d’un matériau est élevée, plus sa conductivité électrique est efficace et moins d’énergie est perdue ou gaspillée lors du passage des électrons. Les matériaux avancés présentant une mobilité électronique élevée seront essentiels pour des appareils électroniques plus efficaces et durables, capables d’effectuer plus de travail avec moins d’énergie.

Aujourd’hui, des physiciens du MIT, du laboratoire de recherche de l’armée et d’ailleurs ont atteint un niveau record de mobilité électronique dans un mince film de tétradymite ternaire, une classe de minéraux que l’on trouve naturellement dans les gisements hydrothermaux profonds d’or et de quartz.

Pour cette étude, les scientifiques ont fait pousser des films purs et ultrafins de ce matériau, de manière à minimiser les défauts de sa structure cristalline. Ils ont découvert que ce film presque parfait, bien plus fin qu’un cheveu humain, présente la plus grande mobilité électronique de sa catégorie.

L’équipe a pu estimer la mobilité électronique du matériau en détectant des oscillations quantiques lors du passage du courant électrique. Ces oscillations sont une signature du comportement mécanique quantique des électrons dans un matériau. Les chercheurs ont détecté un rythme particulier d’oscillations qui est caractéristique d’une mobilité électronique élevée, plus élevée que celle de n’importe quelle couche mince ternaire de cette classe à ce jour.

« Auparavant, les résultats obtenus en termes de mobilité des électrons dans ces systèmes étaient comparables à ceux d’une route en construction : il y avait des bouchons, on ne pouvait pas conduire, c’était poussiéreux et c’était le chaos », explique Jagadeesh Moodera, chercheur principal au département de physique du MIT. « Avec ce matériau nouvellement optimisé, c’est comme conduire sur la Mass Pike sans circulation. »

Les résultats de l’équipe, qui paraissent dans la revue Matériaux Aujourd’hui Physique, désignent les couches minces de tétradymite ternaire comme un matériau prometteur pour l’électronique du futur, comme les dispositifs thermoélectriques portables qui convertissent efficacement la chaleur résiduelle en électricité. (Les tétradymites sont les matériaux actifs qui provoquent l’effet de refroidissement dans les refroidisseurs thermoélectriques commerciaux.)

Ce matériau pourrait également servir de base à des dispositifs spintroniques, qui traitent l’information en utilisant le spin d’un électron, en utilisant beaucoup moins d’énergie que les dispositifs conventionnels à base de silicium.

L’étude utilise également les oscillations quantiques comme un outil très efficace pour mesurer les performances électroniques d’un matériau.

« Nous utilisons cette oscillation comme un kit de test rapide », explique Hang Chi, auteur de l’étude et ancien chercheur au MIT aujourd’hui à l’Université d’Ottawa. « En étudiant cette délicate danse quantique des électrons, les scientifiques peuvent commencer à comprendre et à identifier de nouveaux matériaux pour la prochaine génération de technologies qui alimenteront notre monde. »

Les co-auteurs de Chi et Moodera incluent Patrick Taylor, ancien du MIT Lincoln Laboratory, ainsi qu’Owen Vail et Harry Hier du Army Research Lab, et Brandi Wooten et Joseph Heremans de l’Ohio State University.

Faisceau vers le bas

Le nom « tétradymite » dérive du grec « tétra » pour « quatre » et « dymite », qui signifie « jumeau ». Les deux termes décrivent la structure cristalline du minéral, qui est constituée de cristaux rhomboédriques « jumelés » en groupes de quatre, c’est-à-dire qu’ils ont des structures cristallines identiques partageant un côté.

Les tétradymites comprennent des combinaisons de bismuth, de tellure d’antimoine, de soufre et de sélénium. Dans les années 1950, les scientifiques ont découvert que les tétradymites présentaient des propriétés semi-conductrices qui pourraient être idéales pour les applications thermoélectriques : le minéral, sous sa forme cristalline massive, était capable de convertir passivement la chaleur en électricité.

Puis, dans les années 1990, le regretté professeur Mildred Dresselhaus de l’Institut a proposé que les propriétés thermoélectriques du minéral pourraient être considérablement améliorées, non pas sous sa forme massive, mais au sein de sa surface microscopique à l’échelle nanométrique, où les interactions électroniques sont plus prononcées. (Heremans travaillait dans le groupe de Dresselhaus à l’époque.)

“Il est devenu évident que si l’on examine ce matériau d’assez près et de suffisamment près, de nouvelles choses se produiront”, a déclaré Chi. “Ce matériau a été identifié comme un isolant topologique, où les scientifiques pouvaient observer des phénomènes très intéressants à sa surface. Mais pour continuer à découvrir de nouvelles choses, nous devons maîtriser la croissance du matériau.”

Pour faire croître de minces films de cristal pur, les chercheurs ont utilisé l’épitaxie par jet moléculaire, une méthode par laquelle un faisceau de molécules est projeté sur un substrat, généralement sous vide et à des températures contrôlées avec précision.

Lorsque les molécules se déposent sur le substrat, elles se condensent et s’accumulent lentement, une couche atomique à la fois. En contrôlant le moment et le type de molécules déposées, les scientifiques peuvent développer des films cristallins ultra-fins dans des configurations exactes, avec peu ou pas de défauts.

« Normalement, le bismuth et le tellure peuvent interchanger leur position, ce qui crée des défauts dans le cristal », explique Taylor, co-auteur. « Le système que nous avons utilisé pour faire croître ces films m’a été apporté du laboratoire Lincoln du MIT, où nous utilisons des matériaux de haute pureté pour réduire les impuretés à des limites indétectables. C’est l’outil parfait pour explorer cette recherche. »

Libre circulation

L’équipe a développé des films minces de tétradymite ternaire, chacun mesurant environ 100 nanomètres d’épaisseur. Ils ont ensuite testé les propriétés électroniques du film en recherchant les oscillations quantiques de Shubnikov-de Haas, un phénomène découvert par les physiciens Lev Shubnikov et Wander de Haas, qui ont découvert que la conductivité électrique d’un matériau peut osciller lorsqu’il est exposé à un champ magnétique puissant à basse température. . Cet effet se produit parce que les électrons du matériau remplissent des niveaux d’énergie spécifiques qui changent à mesure que le champ magnétique change.

De telles oscillations quantiques pourraient servir de signature de la structure électronique d’un matériau et de la manière dont les électrons se comportent et interagissent. Plus particulièrement pour l’équipe du MIT, les oscillations pourraient déterminer la mobilité électronique d’un matériau : si des oscillations existent, cela doit signifier que la résistance électrique du matériau est capable de changer et, par déduction, les électrons peuvent être mobiles et amenés à circuler facilement.

L’équipe a recherché des signes d’oscillations quantiques dans leurs nouveaux films, en les exposant d’abord à des températures ultra-froides et à un champ magnétique puissant, puis en faisant passer un courant électrique à travers le film et en mesurant la tension le long de son trajet, tout en réglant le champ magnétique de haut en bas.

“Il s’avère, pour notre plus grande joie et enthousiasme, que la résistance électrique du matériau oscille”, explique Chi. “Immédiatement, cela vous indique que la mobilité électronique est très élevée.”

Plus précisément, l’équipe estime que le film mince ternaire de tétradymite présente une mobilité électronique de 10 000 cm²/Vs : la mobilité la plus élevée de tous les films de tétradymite ternaire jamais mesurés.

L’équipe soupçonne que la mobilité record du film est liée à ses faibles défauts et impuretés, qu’ils ont réussi à minimiser grâce à leurs stratégies de croissance précises. Moins un matériau présente de défauts, moins un électron rencontre d’obstacles et plus il peut circuler librement.

“Cela montre qu’il est possible d’aller plus loin, en contrôlant correctement ces systèmes complexes”, déclare Moodera. “Cela nous indique que nous sommes dans la bonne direction et que nous disposons du bon système pour aller plus loin, pour continuer à perfectionner ce matériau jusqu’à des films encore plus minces et un couplage de proximité destiné à être utilisé dans les futurs dispositifs thermoélectriques et thermoélectriques portables.”

Cet article est republié 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 au MIT.