Un nouveau cristal 2D sur le point d'être isolé ?

21 octobre 2017

Résultats scientifiques Matériaux

Des scientifiques l’Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS/Université de Haute Alsace) sont parvenus à confirmer l’existence d’un nouveau cristal en deux dimensions (2D), le germanène. Ils montrent que l’on peut modifier ses interactions avec son substrat. Une étape importante en vue de son exfoliation pour étudier ses propriétés électroniques inédites. Ces travaux sont parus dans la revue J. Phys. Chem. Lett.

Les cristaux en deux dimensions, constitués d’une seule couche d’atomes en « nid d’abeille » intéressent fortement les chercheurs depuis quelques années. Conducteurs ou semi-conducteurs nanométriques, ces matériaux possèdent en effet des propriétés électroniques fascinantes. Ils pourraient être des isolants topologiques utilisables dans la fabrication des ordinateurs quantiques. Toutefois, la mise en évidence de cette propriété n’est pas simple. La première difficulté réside dans le fait que dans la nature, on ne trouve sous cette forme que le graphène, constituant du graphite. D’autres cristaux bidimensionnels peuvent aujourd’hui être obtenus par synthèse, comme le silicène, le stanène et le germanène, respectivement à base de silicium, d’étain et de germanium. Leur synthèse se fait sur un support cristallin comme l’aluminium, l’or ou l’argent. Mais jusqu’à présent, le cristal 2D n’a pu être dissocié de son substrat … Impossible donc de les étudier isolément ! Grâce aux travaux des chercheurs de l’Institut de Science des Matériaux de Mulhouse une étape cruciale vers cette séparation vient d’être franchie.

L’étude des chercheurs de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse porte précisément sur le germanène. Pour la synthèse, une méthode consiste à déposer sous ultravide et très lentement (0,005 nm/min) du germanium sur la face (111) d’un cristal d’aluminium. Ce substrat est maintenu entre 80 et 100 °C pendant le dépôt. Les scientifiques ont montré qu’en appliquant de petites impulsions de tension avec la pointe de leur microscope à effet tunnel (STM), le germanène change de structure atomique. Il peut présenter deux formes distinctes, et l’on peut passer de l’une à l’autre à volonté ! Ces deux structures ont été modélisées à l’aide de la théorie dite de la fonctionnelle de la densité, une méthode de calcul quantique. Les images de microscopie à effet tunnel simulées s’accordent parfaitement avec les images expérimentales, comme cela est visible sur l’image ci-dessous.

Cette étude, publiée dans la revue Journal of Physical Chemistry Letters, confirme dans un premier temps l’existence du cristal 2D de germanène. Elle met aussi en évidence la possibilité de modifier les interactions entre les atomes de germanium et ceux du substrat. Il parait alors possible de découpler le germanène du substrat par exfoliation. Ces cristaux pourraient maintenant jouer un rôle dans les dispositifs de la microélectronique et des énergies de demain.