Un nouveau matériau atomiquement mince pourrait améliorer l’efficacité des technologies basées sur la lumière


Un nouveau matériau atomiquement mince pourrait améliorer l'efficacité des technologies basées sur la lumière

Les matériaux dits « bidimensionnels » ont des propriétés électriques et photoniques uniques, mais leurs facteurs de forme ultra-minces posent des problèmes pratiques pour l’incorporation dans des dispositifs. Réseaux 2D faits de soufre et de tungstène – démontre qu’un couplage lumière-matière peut être réalisé. Crédit : Université de Pennsylvanie

Les panneaux solaires, les caméras, les biocapteurs et la fibre optique sont des basées sur des photodétecteurs ou des capteurs qui convertissent la lumière en électricité. Les photodétecteurs deviennent de plus en plus efficaces et abordables, la taille de leurs puces semi-conductrices diminuant. Cependant, cette miniaturisation atteint les limites fixées par les matériaux et procédés de fabrication actuels, et oblige à des compromis entre taille et performance.

Il existe de nombreuses limitations au processus de fabrication traditionnel des puces semi-conductrices. Les puces sont fabriquées en faisant croître le film semi-conducteur sur le dessus d’une plaquette de manière à ce que la structure cristalline du film soit alignée avec celle de la plaquette de substrat. Cela rend difficile le transfert du film sur d’autres matériaux de substrat, ce qui réduit son applicabilité.

De plus, la méthode actuelle de transfert et d’empilement de ces films est le pelage mécanique, un procédé dans lequel un morceau de ruban adhésif décolle le film semi-conducteur puis est transféré, couche par couche, sur un nouveau substrat. Ce processus se traduit par plusieurs couches inégales empilées les unes sur les autres, les imperfections de chaque couche s’accumulant dans son ensemble. Ce procédé influence la qualité du produit et limite la reproductibilité et l’évolutivité de ces puces.

Après tout, certains matériaux ne fonctionnent pas bien en couches extrêmement fines. Le silicium reste omniprésent en tant que matériau de choix pour les puces semi-conductrices, mais plus il devient fin, moins il fonctionne en tant que structure photonique, ce qui le rend moins qu’idéal pour les photodétecteurs. D’autres matériaux plus performants que le silicium car les couches extrêmement minces nécessitent encore une certaine épaisseur pour interagir avec la lumière présentent le défi d’identifier les matériaux photoniques optimaux et leur épaisseur critique pour le fonctionnement dans les puces semi-conductrices des photodétecteurs.

La production de films semi-conducteurs photoniques uniformes, extrêmement minces et de haute qualité à partir d’un matériau autre que le silicium rendrait les puces semi-conductrices plus efficaces, plus applicables et plus évolutives.

Penn Engineers Deep Jariwala, professeur adjoint d’ingénierie électrique et des systèmes, et Pawan Kumar et Jason Lynch, post-doctorant et doctorant dans son laboratoire, ont dirigé une étude qui a été menée en. a été publié Nanotechnologie naturelle qui voulait faire exactement cela. Eric Stach, professeur de science et technologie des matériaux, ainsi que son postdoctorant Surendra Anantharaman, le doctorant Huiqin Zhang et l’étudiant en licence Francisco Barrera ont également contribué à ce travail. L’étude collaborative a également inclus des chercheurs de Penn State, AIXTRON, UCLA, l’Air Force Research Lab et le Brookhaven National Lab, et a été financée principalement par l’Army Research Lab. Votre article décrit un nouveau procédé de production de super-réseaux minces ou de films semi-conducteurs hautement luminescents.

Les matériaux d’un atome d’épaisseur prennent généralement la forme d’un réseau ou d’une couche d’atomes géométriquement alignés qui forment un motif spécifique pour chaque matériau. Un super-réseau est constitué de grilles de différents matériaux empilés les uns sur les autres. Les super-réseaux ont des propriétés optiques, chimiques et physiques complètement nouvelles qui les rendent adaptables à des applications spécifiques telles que la photo-optique et d’autres capteurs.

L’équipe de Penn Engineering a fabriqué un super-réseau à partir de tungstène et de soufre d’une épaisseur de cinq atomes (WS2).

« Après deux ans de recherche avec des simulations qui nous ont expliqué comment le super-réseau interagit avec l’environnement, nous étions prêts à construire le super-réseau expérimentalement », explique Kumar. « Parce que les super-réseaux traditionnels sont cultivés directement sur un substrat souhaité, ils ont généralement une épaisseur de millions d’atomes et sont difficiles à transférer sur d’autres substrats matériels. Nous avons travaillé avec des partenaires industriels pour nous assurer que nos super-réseaux atomiquement minces sont évolutifs et applicables à de nombreux matériaux différents. « 

Ils ont fait croître des monocouches d’atomes ou de réseaux sur une plaquette de deux pouces, puis ont dissous le substrat, permettant au réseau d’être transféré sur n’importe quel matériau, dans leur cas du saphir. De plus, leur réseau a été créé avec des unités atomiques répétitives alignées dans une direction pour rendre le super-réseau bidimensionnel, compact et efficace.

« Notre conception est également évolutive », déclare Lynch. « Avec notre méthode, nous avons pu créer un super-réseau d’une mesurée en centimètres, ce qui représente une amélioration significative par rapport à l’échelle micrométrique des super-réseaux de silicium qui sont actuellement produits. Cette évolutivité est rendue possible par l’épaisseur uniforme de nos super-réseaux, ce qui permet au processus de fabrication d’être simple et reproductible. L’évolutivité est importante afin de pouvoir placer nos super-réseaux sur les puces de quatre pouces standard de l’industrie. »

Sa conception en super-réseau est non seulement extrêmement fine, ce qui la rend légère et peu coûteuse, mais peut également émettre de la lumière, pas seulement la .

« Nous utilisons un nouveau type de structure dans nos super-réseaux, qui sont des polaritons d’excitons, qui sont des particules quasi-étatiques composées de moitié de matière et de moitié de lumière », explique Lynch. « La lumière est très difficile à contrôler, mais nous pouvons contrôler la matière, et nous avons découvert qu’en manipulant la forme du super-réseau, nous pouvons contrôler indirectement la lumière qu’il émet. Cela signifie que notre superréseau peut être une source de lumière. Cette technologie a le potentiel d’améliorer considérablement les systèmes lidar dans les voitures autonomes, la reconnaissance faciale et la vision par ordinateur. »

La capacité d’émettre et de détecter de la lumière avec le même matériau ouvre la porte à des applications plus complexes.

« Une technologie actuelle pour laquelle je vois notre super-réseau utilisé est celle des puces informatiques photoniques intégrées qui fonctionnent à la lumière », explique Lynch. « La lumière se déplace plus rapidement que les électrons, donc une puce alimentée par la lumière augmente la vitesse de calcul et rend le processus plus efficace, mais le défi était de trouver une source de lumière qui alimenter la puce. Notre super grille pourrait être une solution ici. »

Les applications de cette nouvelle technologie sont nombreuses et incluront probablement la robotique de haute technologie, les fusées et les lasers. En raison du large éventail d’applications de ces super-réseaux, l’évolutivité est très importante.

« Nos super-réseaux sont fabriqués à l’aide d’un processus général et non sophistiqué qui ne nécessite pas plusieurs étapes dans une salle blanche, de sorte que le processus peut être facilement répété », explique Kumar. « En outre, la conception est applicable à de nombreux types de matériaux différents, ce qui permet une adaptabilité. »

« Dans le monde de la technologie, il y a un mouvement constant vers l’échelle nanométrique », dit-il. « Nous assisterons certainement à un amincissement des micropuces et de leurs structures, et notre travail sur les matériaux bidimensionnels fait partie de ce développement. »

« Alors que nous réduisons les choses et rendons la technologie de plus en plus petite, nous commençons naturellement à interagir avec la mécanique quantique, puis nous voyons des phénomènes intéressants et inattendus », explique Lynch. « Je suis très heureux de faire partie d’une équipe qui apporte la mécanique quantique à la technologie à fort impact. »


Des chercheurs développent une complexité magnétique dans des aimants atomiquement minces


Plus d’information:
Pawan Kumar et al., Couplage lumière-matière dans les super-réseaux de Van der Waals à grande surface, Nanotechnologie naturelle (2021). DOI : 10.1038 / s41565-021-01023-x

Fourni par l’Université de Pennsylvanie

Devis: Un nouveau matériau atomiquement pourrait améliorer l’efficacité des technologies basées sur la lumière (2021, 21 décembre), consulté le 21 décembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-12-atomically-thin-material-efficiency- à base de lumière. html

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