Un nouveau matériau atomiquement mince pourrait améliorer l’efficacité de la technologie basée sur la lumière

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Les matériaux dits «bidimensionnels» ont des propriétés électriques et photoniques uniques, mais leurs facteurs de forme ultra-minces présentent des défis pratiques lorsqu’ils sont intégrés dans des dispositifs. Les chercheurs de Penn Engineering ont maintenant démontré une méthode de fabrication de “super-réseaux” de grande surface – des structures en couches contenant des réseaux 2D de soufre et de tungstène – qui peuvent réaliser un couplage lumière-matière.


Schematic of the Penn Engineering team's superlattice structureLes panneaux solaires, les caméras, les biocapteurs et les fibres optiques sont des technologies qui reposent 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 repousse les limites fixées par les matériaux et les méthodes de fabrication actuels, forçant des compromis entre taille et performance. Il existe de nombreuses limitations du processus traditionnel de fabrication des puces semi-conductrices. Les puces sont créées 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 se fait par exfoliation mécanique, un processus où un morceau de ruban adhésif retire le film semi-conducteur puis le transfère sur un nouveau substrat, couche par couche.

Ce processus entraîne l’empilement de plusieurs couches non uniformes les unes sur les autres, les imperfections de chaque couche étant accumulées dans l’ensemble. Ce processus affecte la qualité du produit ainsi que limite la reproductibilité et l’évolutivité de ces puces. Enfin, certains matériaux fonctionnent mal en couches extrêmement fines. Le silicium reste omniprésent en tant que matériau de choix pour les puces semi-conductrices, cependant, plus il devient fin, moins il fonctionne en tant que structure photonique, ce qui le rend moins qu’idéal dans les photodétecteurs. D’autres matériaux plus performants que le silicium en tant que couches extrêmement minces nécessitent toujours une certaine épaisseur pour interagir avec la lumière, ce qui pose le défi d’identifier les matériaux photoniques optimaux et leur épaisseur critique pour fonctionner dans les puces semi-conductrices des photodétecteurs. La fabrication de films semi-conducteurs photoniques uniformes, extrêmement minces et de haute qualité en un matériau autre que le silicium rendrait les puces semi-conductrices plus efficaces, applicables et évolutives.

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Penn Engineers Deep Jariwala, professeur adjoint en génie électrique et des systèmes, et Pawan Kumar et Jason Lynch, boursier postdoctoral et doctorant dans son laboratoire, ont dirigé une étude publiée dans Nature Nanotechnology qui visait à faire exactement cela. Eric Stach,, professeur en science et génie des matériaux, ainsi que son postdoctorant Surendra Anantharaman, le doctorant Huiqin Zhang et l’étudiant de premier cycle 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 principalement financée par l’Army Research Lab. Leur article décrit une nouvelle méthode de fabrication de super-réseaux atomiquement minces, ou films semi-conducteurs, qui émettent beaucoup de lumière. 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 à chaque matériau. Un super-réseau est constitué de réseaux 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 réalisé un super-réseau de cinq atomes d’épaisseur de tungstène et de soufre (WS2).

“Après deux ans de recherche utilisant des simulations qui nous ont informés sur la façon dont le super-réseau interagirait avec l’environnement, nous étions prêts à construire expérimentalement le super-réseau”, explique Kumar. “Parce que les super-réseaux traditionnels sont cultivés directement sur un substrat souhaité, ils ont tendance à avoir une épaisseur de millions d’atomes et sont difficiles à transférer sur d’autres substrats matériels. Nous avons collaboré avec des partenaires de l’industrie pour nous assurer que nos super-réseaux atomiquement minces étaient développés pour être évolutifs et applicables à de nombreux matériaux différents”. Ils ont fait croître des monocouches d’atomes, ou réseaux, sur une plaquette de deux pouces, puis ont dissous le substrat, ce qui permet de transférer le réseau sur n’importe quel matériau souhaité, dans leur cas, le saphir. De plus, leur réseau a été créé avec des unités répétitives d’atomes alignées dans une direction pour rendre le super-réseau bidimensionnel, compact et efficace. “Notre conception est également évolutive”, déclare Lynch. “Nous avons pu créer un super-réseau d’une surface mesurée en centimètres avec notre méthode, ce qui est une amélioration majeure par rapport à l’échelle micrométrique des super-réseaux de silicium actuellement produits. Cette évolutivité est possible grâce à l’épaisseur uniforme de nos super-réseaux, ce qui rend le processus de fabrication simple et reproductible. L’évolutivité est importante pour pouvoir placer nos super-réseaux sur les puces de quatre pouces standard de l’industrie”.

Leur conception en super-réseau n’est pas seulement extrêmement fine, ce qui la rend légère et économique, elle peut également émettre de la lumière, pas seulement la détecter. “Nous utilisons un nouveau type de structure dans nos super-réseaux qui implique des excitons-polaritons, 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 pouvions contrôler indirectement la lumière émise par celui-ci. Cela signifie que notre super-réseau peut être une source de lumière. Cette technologie a le potentiel pour améliorer considérablement les systèmes lidar dans les voitures autonomes, la reconnaissance faciale et la vision par ordinateur”.

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Pouvoir à la fois émettre et détecter de la lumière avec le même matériau ouvre la porte à des applications plus complexes. “Une technologie actuelle pour laquelle je peux voir que notre super-réseau est utilisé est celle des puces informatiques photoniques intégrées qui sont alimentées par la lumière”, explique Lynch. «La lumière se déplace plus rapidement que les électrons, donc une puce alimentée par la lumière augmentera la vitesse de calcul, rendant le processus plus efficace, mais le défi a été de trouver une source de lumière pouvant alimenter la puce. Notre super-réseau peut être une solution là-bas. Les applications de cette nouvelle technologie sont diverses et comprendront probablement la robotique de haute technologie, les fusées et les lasers. En raison de la large gamme d’applications pour ces super-réseaux, l’évolutivité est très importante. “Nos super-réseaux sont fabriqués avec un processus général et non sophistiqué qui ne nécessite pas plusieurs étapes dans une salle blanche, ce qui permet de répéter facilement le processus”, explique Kumar.

“De plus, 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 une évolution constante des choses qui se dirigent vers l’échelle nanométrique”, dit-il. “Nous assisterons certainement à un amincissement des puces électroniques et des structures qui les composent, et notre travail sur le matériau bidimensionnel fait partie de cette évolution”. “Bien sûr, alors que nous affinons les choses et rendons la technologie de plus en plus petite, nous commençons à interagir avec la mécanique quantique et c’est à ce moment-là que nous voyons des phénomènes intéressants et inattendus se produire”, explique Lynch. “Je suis très heureux de faire partie d’une équipe qui intègre la mécanique quantique à la technologie à fort impact”.

Voir la publication

Kumar, P., Lynch, J., Song, B. et al. Light–matter coupling in large-area van der Waals superlattices. Nat. Nanotechnol. (2021).

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