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Comment couper des matériaux atomiques en 2D

Une équipe de chercheurs a mis au point une technologie de haute précision pour tailler de minuscules motifs dans des particules atomiques, destinée à des applications de fabrication de nanodispositifs électroniques et photoniques.

Technologies industrielles

Les matériaux 2D épais de quelques nanomètres ou moins ont suscité depuis quelques années un intérêt croissant, grâce à leurs propriétés particulières telles qu’une structure multicouche, de grandes surfaces et une variation de leur composition chimique. Ces caractéristiques en font des substituts potentiels pour différents matériaux conventionnels, avec des applications dans les transistors à effet de champ, les capteurs électrochimiques et les capteurs physiques. Ces matériaux sont employés dans le domaine des technologies électroniques, optoélectroniques et semi-conductrices portables. Pour la plupart des applications impliquant des matériaux 2D, les nanostructures fonctionnelles doivent être modelées via lithographie, un processus qui peut se révéler compliqué dans la mesure où le déploiement de produits chimiques agressifs ou de particules accélérées chargées électriquement, telles que les électrons et les ions, peuvent endommager les propriétés des matériaux. Pour répondre à ce défi, une équipe de chercheurs a mis au point une technologie qui utilise un scalpel miniature pour couper précisément et directement des matériaux en 2D. Soutenue par le projet MEMS 4.0 financé par l’UE, l’équipe «a utilisé une nouvelle technique de découpage à la nanoéchelle appelée lithographie par sonde à balayage thermique (t-SPL pour “thermal scanning probe lithography en anglais”), qui fonctionne d’une manière similaire à un microscope à force atomique», comme l’explique un article de l’hôte du projet MEMS 4.0 l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Les chercheurs ont publié leurs travaux dans la revue «Advanced Materials». «Nous y faisons la démonstration d’une technique d’indentation thermomécanique qui permet de couper directement des matériaux en 2D à l’aide d’une nanopointe à balayage thermique. Il est possible d’obtenir des coupes de forme arbitraire avec une résolution de 20 nm sur des matériaux monocouches en 2D, à savoir, le ditellurure de molybdène (MoTe2), le disulfure de molybdène (MoS2), et le diséléniure de molybdène (MoSe2), en tranchant thermomécaniquement les liaisons chimiques, et par le biais d’une sublimation rapide de la couche polymère située sous la couche du matériau en 2D.»

De nombreuses applications

Citée dans l’article de l’EPFL, la Dre Ana Conde Rubio, autrice de l’étude, commente: «Nous utilisons la chaleur pour modifier le substrat et pour le rendre plus flexible, et dans certains cas, pour le transformer en gaz. Nous pouvons alors tailler le matériau en 2D encore plus facilement.» Le Dr Samuel Tobias Howell, auteur de l’étude, ajoute: «Nous utilisons un système piloté par ordinateur pour contrôler les processus ultrarapides de chauffage et de refroidissement, ainsi que la position de la pointe. Cela nous permet de réaliser des indentations prédéfinies pour créer, par exemple, des nanorubans utilisés dans des dispositifs nanoélectroniques.» Cette technique pourrait présenter des avantages pour des applications de nanoélectronique, de nanophotonique et de nanobiotechnologie, «et pourrait permettre de produire des composants électroniques plus petits et plus efficaces», selon la Dre Xia Liu, également coautrice de l’étude. Pour la prochaine étape, «la recherche va se focaliser sur l’étude d’un éventail plus large de matériaux, et sur la sélection de combinaisons viables dans des nanosystèmes intégrés. Les futures activités du projet revisiteront également la conception du bras et de la nanopointe pour améliorer les performances de nanocoupe», comme mentionné dans l’article. Le professeur Jürgen Brugger explique: «Les systèmes microélectromécaniques (MEMS pour “microelectromechanical systems”) basés sur des polymères présentent de nombreuses applications potentielles dans les domaines électronique et biomédical. Nous en sommes cependant toujours aux prémices du développement de techniques de conception de polymères fonctionnels dans le cadre de microsystèmes en 3D.» Le professeur Brugger «souhaite repousser les limites et découvrir de nouveaux matériaux et processus pour les MEMS en se focalisant sur le pochoir, le processus d’impression, l’autoassemblage dirigé de nanomatériaux, et le traitement thermique localisé». Le projet MEMS 4.0 (Additive Micro-Manufacturing for Plastic Micro-electro-Mechanical-Systems), qui a financé l’étude, se poursuivra jusqu’en septembre 2022. «MEMS 4.0 en référence au concept de l’industrie 4.0 vise à mener une recherche concertée en fabrication additive à l’échelle micrométrique ou nanométrique, ainsi que pour les techniques fondamentales associées», comme l’indique la fiche d’information du projet. Pour plus d’informations, veuillez consulter: site web du projet MEMS 4.0

Mots‑clés

MEMS 4.0, nanoélectronique, matériau 2D, fabrication additive, microélectromécanique