Ces cristaux à faible épaisseur atomique, qui peuvent être aussi peu épais qu'une seule couche, présentent des propriétés physiques très différentes de leurs homologues en vrac. L'isolement du graphine en 2004 par Novoselov et Geim a enflammé un effort de recherche mondial, révélant que les cristaux à double dimension pourraient être stables dans des conditions ambiantes et présenter des caractéristiques électroniques, optiques et mécaniques extraordinaires. Depuis, la famille de matériaux 2D comprend désormais des dichalcogénides métalliques de transition (MDM), des nitrides de bore hexagonale (HBN), du phosphore noir et une foule d'autres composés stratifiés. La combinaison unique d'épaisseur, de flexibilité, d'interactions fortes avec la matière lumineuse et de mobilité élevée des porteurs rend les matériaux 2D uniques pour les dispositifs électroniques et photoniques de nouvelle génération qui exigent une miniaturisation, une faible consommation de puissance et une conformabilité mécanique.

Qu'est-ce que les matériaux 2D?

graphène, est une monocouche d'atomes de carbone disposée en treillis de nids d'abeilles. Sa conductivité électrique élevée, sa résistance mécanique (le matériau le plus puissant jamais mesuré) et sa conductivité thermique exceptionnelle établissent un repère pour les matériaux 2D. Cependant, le graphène n'a pas de bandegap, ce qui limite son utilisation dans les transistors logiques numériques où un grand rapport marche/arrêt est essentiel. Cette limitation a entraîné l'exploration d'autres matériaux 2D, tels que les dichalcogénides métalliques de transition, lorsqu'ils sont dilués jusqu'à un monocouche, ce qui les rend idéaux pour les optoélectroniques et les électrons: le moS2, le MoSe2 est un autre matériau de déplacement continu de la surface: le diflux est un matériau de déplacement continu de la surface: le diflux est un matériau de déplacement continu de la surface du sol.

Propriétés clés Performance du périphérique de conduite

L'attrait des matériaux 2D réside dans leur anisotropie extrême : les électrons et les photons interagissent fortement dans le plan, tandis que le couplage intercouche est faible.

  • Mobilité porteuse élevée: Le graphiène présente des mobilités d'électrons supérieures à 200 000 cm2/V·s à basse température, tandis que les TMD tels que le MoS2 peuvent atteindre des mobilités supérieures à 100 cm2/V·s en monocouche.
  • La flexibilité mécanique et l'étirement:[ Les matériaux monocouches 2D peuvent résister à des rayons de flexion de quelques microns sans fracture, permettant des dispositifs électroniques et photoniques entièrement flexibles.
  • Interaction de la matière lumineuse forte:[ Malgré une minceur atomique, les semi-conducteurs 2D absorbent jusqu'à 10% de la lumière incidente par monocouche, conséquence d'une forte résistance oscillatrice et d'énergies de liaison à l'exciton serrées.
  • Structure électronique tunable: Le bandgap des TMD et du phosphore noir varie avec l'épaisseur (en fonction du confinement quantique) et peut être modifié par déformation, champs électriques ou dopage chimique.
  • Contrôle électrostatique :[ Le canal ultra-mince permet une gâchette électrostatique pointue, permettant aux transistors de fonctionner à basse tension avec des pentes subseuil élevées.

Ces propriétés rendent les matériaux 2D convaincants pour des applications qui dépassent les capacités des composés de silicium et III-V, en particulier dans les scénarios où la finesse, la flexibilité ou le fonctionnement à basse tension sont critiques.

Applications électroniques des matériaux 2D

L'application électronique la plus immédiate des matériaux 2D est dans les transistors à effet de champ (FET). Comme le canal peut être une couche atomique d'épaisseur, la barrière perd son contrôle électrostatique sur l'ensemble du canal, permettant une échelle agressive des dimensions des transistors tout en maintenant un courant d'arrêt bas. Ceci est particulièrement prometteur pour les nœuds ultra-échelle (sous--5 nm) où le silicium souffre d'effets graves à court canal.

Transistors ultra-calés et circuits logiques

Les chercheurs ont réussi à fabriquer des transistors dont la longueur de canal est inférieure à 10 nm en utilisant le MoS2 et des nanotubes de carbone, ce qui permet de réaliser des performances rivalisant ou dépassant les dispositifs classiques en silicium. La douceur atomique des surfaces 2D réduit la dispersion des porteurs et l'absence de liaisons de serrage minimise les états de pièges à l'interface canal/diélectrique. De plus, la flexibilité mécanique des matériaux 2D permet à ces transistors d'être intégrés sur des substrats plastiques, ouvrant la porte à l'électronique courable.

L'un des principaux défis des transistors 2D est la formation de contacts électriques à faible résistance. La barrière Schottky à l'interface métal-semiconducteur peut dominer le comportement de l'appareil, en particulier pour les TMD. Les avancées récentes comprennent l'utilisation d'intercouches graphiènes, de contacts de bord et de contacts métalliques à phase (par exemple, la phase 1T du MoS2) pour obtenir des résistances de contact inférieures à 100 γ·μm. Ces approches permettent des densités de courant record et des valeurs de transconductivité.

Électronique flexible et capteurs portables

Les matériaux 2D sont idéaux pour les dispositifs flexibles et portables car ils peuvent être déposés sur des polymères, du papier ou des textiles par exfoliation mécanique, dépôt chimique de vapeur (CVD) ou par impression en solution. Des transistors flexibles, des photodétecteurs, des capteurs de déformation et des biocapteurs ont été démontrés. Par exemple, des membranes tactiles à base de graphine et des moniteurs démontables pour la peau qui suivent les impulsions ou la respiration ont été montrés.

Calcul de faible puissance et neuromorphique

Au-delà de la logique numérique classique, des matériaux 2D sont explorés pour l'informatique analogique de faible puissance et les architectures neuromorphes. Leurs canaux atomiquement minces et leur puissant contrôle électrostatique les rendent adaptés aux transistors à pente raide (p. ex., FET tunnel et FET de capacité négative) qui peuvent fonctionner à des profondeurs inférieures à 60 mV/décennie. De plus, le comportement méristif observé dans certains matériaux 2D (y compris hBN et MoS2) permet des synapses et des neurones artificiels pour les circuits neuromorphes.

Applications photoniques des matériaux 2D

En photonique, les fortes interactions entre la matière lumineuse et les propriétés optiques des matériaux 2D permettent des dispositifs ultracompacts, rapides et efficaces. Les semi-conducteurs monocouches comme MoS2 et WS2 ont des bandes de bandes directes qui couvrent la plage visible à proche infrarouge, et leurs excitons – des paires de trous d'électrons étroitement liés – dominent la réponse optique même à température ambiante. Cette richesse en effets excitoniques ouvre de nouveaux paradigmes d'appareil qui ne sont pas possibles dans les semi-conducteurs en vrac conventionnels.

Détecteurs de photo et capteurs d'image

Les photodétecteurs 2D peuvent être conçus pour une sensibilité à large bande (de l'ultraviolet au milieu de l'infrarouge) en choisissant des matériaux avec des bandes de bande appropriées ou en utilisant des hétérostructures. Les photodétecteurs MoS2 peuvent atteindre des responsabilités de 103 à 105 A/W (sous biais) avec des temps de réponse de l'ordre des microsecondes. Les photodétecteurs graphien, sans bande de bande, présentent une absorption ultra-large et une réponse ultra-rapide (picosecondes) adaptées aux liaisons de données à grande vitesse.

Modulateurs et commutateurs optiques

Les modulateurs 2D peuvent obtenir une modulation à grande vitesse car leur densité de support et le niveau Fermi peuvent être réglés rapidement par une tension de porte appliquée. Il a été démontré que les modulateurs 2D fonctionnent à des vitesses supérieures à 50 GHz avec des empreintes de petit dispositif. Les modulateurs TMD, qui tirent parti des effets excitateurs, peuvent obtenir une modulation forte à des tensions d'entraînement inférieures. De plus, les matériaux 2D peuvent être utilisés pour créer des commutateurs entièrement optiques basés sur le blanchiment d'exciton ou l'absorption saturable.

Dispositifs émettant de la lumière: LEDs et lasers

Les émissions de lumière à entraînement électrique provenant des TMD monocouches sont difficiles en raison de leurs contacts ohmiques médiocres et de leur faible efficacité quantique. Néanmoins, les travaux récents ont démontré que les diodes électroluminescentes (DEL) sont basées sur des hétérojonctions MoS2 et WS2 (p. ex. avec hBN ou WSe2) avec des émissions dans le rouge et le proche infrarouge. Les rendements quantiques demeurent modestes (1-5 %) mais s'améliorent constamment grâce à des stratégies telles que l'ingénierie de l'injection de charge, le placement dans les cavités optiques et l'utilisation de l'amélioration Purcell.

Hétérostructures et appareils hybrides

L'une des caractéristiques les plus puissantes des matériaux 2D est la capacité de mettre en place des couches différentes à l'échelle atomique pour former des hétérostructures van der Waals. Ces cristaux artificiels peuvent combiner des matériaux avec des propriétés complémentaires, par exemple une couche supérieure de graphine pour les électrodes transparentes et une couche monocouche TMD comme couche optoélectronique active, sans contraintes de couplage de réseau.

Défis et orientations futures

Malgré la promesse énorme de matériaux 2D, plusieurs obstacles demeurent sur la voie du déploiement commercial. Le plus critique est la synthèse à grande échelle avec une qualité uniforme et une épaisseur contrôlée. Bien que l'exfoliation mécanique reste la méthode de choix pour les études fondamentales, elle n'est pas évolutive. Le dépôt de vapeur chimique (CVD) sur des substrats catalytiques (comme le cuivre pour le graphine ou le saphir pour le MoS2) a fait de grands progrès, mais les films qui en résultent contiennent souvent des limites de grains, des postes vacants et une contamination qui dégradent les performances des dispositifs.

Contacts et Diélectrique

La qualité des contacts métalliques et des diélectriques de porte reste un goulot d'étranglement majeur. La hauteur de la barrière de Schottky aux interfaces métal-2D peut être réduite en utilisant des métaux à faible fonction de travail, des contacts graphène inertes ou des TMD métalliques à conception de phase. Cependant, la reproductibilité dans de grandes zones est encore insuffisante. Les diélectriques à haute k comme HfO2 ou Al2O3 doivent être déposés sans endommager le réseau 2D. Le dépôt de couches atomiques avec des couches de semis appropriées est une approche courante, mais la création de défauts doit être réduite.

Intégration avec la technologie du silicone

Pour réaliser l'impact total des matériaux 2D, ils doivent être intégrés dans les flux de fabrication de semi-conducteurs existants. Cela nécessite un processus compatible CMOS pour la croissance, le transfert et le dessin de films 2D. De nombreux groupes de recherche travaillent sur la croissance directe sur les plaquettes de silicium, les processus de transfert utilisant des températures compatibles avec le back-end-of-line (BEOL) et l'intégration monolithique avec les circuits photoniques de silicium.

Perspectives commerciales

Plusieurs entreprises commercialisent déjà des matériaux 2D. Le graphien est utilisé dans les encres conductrices, le stockage d'énergie et les matériaux composites. MoS2 et WS2 sont en cours d'exploration pour les écrans de nouvelle génération et les capteurs flexibles. Le marché de la photonique devrait adopter des photodétecteurs et des modulateurs 2D dans les centres de données et les systèmes LiDAR au cours de la prochaine décennie. Comme les défis d'échelle, de stabilité et de fabrication sont résolus, les matériaux 2D transformeront probablement les industries des appareils électroniques et photoniques. Pour plus de détails, les lecteurs peuvent consulter des revues faisant autorité comme la ], un aperçu complet de la physique des appareils TMD[, ou la ].

Conclusion

Les matériaux 2D ont ouvert un nouvel espace de conception pour les appareils électroniques et photoniques qui tirent parti de l'épaisseur à l'échelle atomique, de la mobilité exceptionnelle des porteurs et d'une forte interaction entre la lumière et les transistors ultra-échelles et l'électronique flexible, aux photodétecteurs et à l'optoélectronique quantique, ces matériaux permettent d'utiliser des dispositifs qui ne sont pas possibles avec les semi-conducteurs conventionnels.