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H2020

DEMONH — Résultat en bref

Project ID: 655844
Financé au titre de: H2020-EU.1.3.2.
Pays: Belgique
Domaine: Recherche fondamentale

Les matériaux 2D dépassent le graphène pour l’électronique

Les matériaux bidimensionnels (2D) atomiquement minces peuvent présenter des propriétés électroniques et optiques radicalement différentes de leurs équivalents 3D plus épais. Un projet financé par l’UE est à la pointe de la modélisation et du travail expérimental pour adapter ces propriétés à nos besoins.
Les matériaux 2D dépassent le graphène pour l’électronique
La demande en miniaturisation de l’électronique est en constante augmentation, mais l’industrie approche désormais de la limite d’échelle pour les matériaux en silicium. Dernièrement, les matériaux 2D sont apparus comme des candidats prometteurs pour une utilisation dans les dispositifs électroniques et optoélectroniques miniaturisés en raison de leurs propriétés uniques et de leurs dimensions atomiquement minces.

Le graphène étant le premier matériau 2D étudié en détail, l’accent est porté désormais sur d’autres matériaux aux propriétés très différentes pour de nouvelles applications. Dans le cadre du projet DEMONH financé par l’UE, les scientifiques ont étudié les propriétés électroniques et optiques d’un matériau semi-conducteur 2D connu sous le nom de bisulfure de molybdène (MoS2) et de matériaux hybrides prometteurs connus sous le nom de perovskites aux halogénures de plomb.

La perfection ne fait pas tout

Les défauts ponctuels comme les lacunes et les impuretés sont essentiels dans l’électronique. «Bien que les défauts ponctuels puissent parfois être considérés comme un inconvénient considérable pour la réalisation de certaines opérations électroniques, chaque type de défaut peut entraîner une modification profonde des propriétés du matériau. En particulier, la présence omniprésente de défauts peut considérablement améliorer la réponse physique, électrochimique et optoélectronique des matériaux 2D», souligne le coordinateur du projet, David Beljonne.

Les scientifiques se sont principalement préoccupés de l’influence des défauts ponctuels créés intentionnellement pour augmenter la densité des sites d’ancrage ou créés naturellement pendant la synthèse des matériaux. Dans le premier cas, l’ancrage de nanoparticules sur des sites de défauts de MoS2 sous éclairage peut s’ajouter à la complexité du comportement fonctionnel du matériau.

Un autre objectif était d’établir un cadre théorique général capable de capturer à la fois les propriétés photophysiques et optoélectroniques de certains matériaux hybrides. Reposant à un carrefour entre molécules et matériaux à l’état solide, la recherche sur les matériaux organiques et inorganiques fait appel à des principes empruntés à la fois à la chimie et à la physique.

Plus précisément, et contrairement à la sagesse traditionnelle, l’équipe du projet a étudié comment l’ajout de défauts ponctuels dans les perovskites d’halogénures hybrides pouvait peut être utilisé pour améliorer l’efficacité du processus de photoconversion dans un système photovoltaïque. Les résultats ont permis aux scientifiques de mieux comprendre le rôle des dopants chlorés et des cations organiques dans la suppression de la recombinaison des porteurs et la restauration des porteurs de charge à vie longue.

Des matériaux 2D aux hétérostructures

Avec plusieurs matériaux 2D à portée de main, les scientifiques se sont concentrés sur leur combinaison en piles verticales. La conception des architectures multicouches basées sur des blocs de construction de matériaux 2D ultra-fins a été assistée par des techniques de traitement de solutions avancées.

Les molécules organiques ont contribué au processus d’exfoliation liquide en délaminant les matériaux en feuilles individuelles, ultra-minces et, surtout, stables. «La construction de polymères conjugués stables a été la clé de l’étude des puissants mécanismes d’accord des propriétés électroniques et optiques des unités 2D élémentaires,» souligne M. Beljonne.

Entre autres découvertes, l’équipe du projet a démontré que les propriétés électriques des couches 2D de dichalcogénure métallique pouvaient être ajustées par bombardement ionique et que les lacunes de soufre résultantes agissaient comme des groupes d’ancrage favorables pour les molécules multifonctionnelles à base de thiol.

Les matériaux 2D empilés possèdent une gamme de propriétés accordables qui devraient être importantes pour de futures applications en électronique et en optoélectronique. Les applications possibles vont des composants de micropuces aux panneaux solaires et écrans d’affichage minces et flexibles. Ce projet a également conduit à d’autres études sur d’autres systèmes de matériaux 2D.

DEMONH a contribué à une meilleure compréhension fondamentale des propriétés électroniques et optiques complexes de certains matériaux semi-conducteurs et hybrides. Cela devrait guider la conception et le développement des dispositifs à hétérostructures multicouches ultra-minces et flexibles de prochaine génération.

Mots-clés

DEMONH, électronique, matériaux 2D, propriétés optiques, matériaux hybrides, optoélectroniques, graphène, polymères conjugués, hétérostructure multicouche