Les cristaux du matériau nitrure de bore hexagonal peuvent être gravés afin que le motif que vous dessinez en haut se transforme en une version plus petite et acérée en bas. Ces perforations peuvent être utilisées comme masque d’ombre pour dessiner des composants et des circuits en graphène. Ce procédé permet une précision impossible même avec les meilleures techniques lithographiques d’aujourd’hui. À droite, des images de trous triangulaires et carrés prises au microscope électronique. Crédit : Peter Bøggild, Lene Gammelgaard et Dorte Danielsen
Une nouvelle méthode conçoit des nanomatériaux avec une précision inférieure à 10 nanomètres. Cela pourrait ouvrir la voie à une électronique plus rapide et plus économe en énergie.
Les chercheurs du DTU et de Graphene Flagship ont fait passer l’art de la structuration des nanomatériaux à un niveau supérieur. La structuration précise des matériaux 2D est une voie vers le calcul et le stockage à l’aide de matériaux 2D, qui peuvent offrir de meilleures performances et une consommation d’énergie beaucoup plus faible que la technologie actuelle.
L’une des découvertes récentes les plus importantes en physique et en technologie des matériaux concerne les matériaux bidimensionnels tels que graphène. Le graphène est plus fort, plus lisse, plus léger et mieux conducteur de chaleur et d’électricité que tout autre matériau connu.
Leur caractéristique la plus unique est peut-être leur programmabilité. En créant des motifs délicats dans ces matériaux, nous pouvons modifier considérablement leurs propriétés et éventuellement fabriquer précisément ce dont nous avons besoin.
Au DTU, les scientifiques travaillent depuis plus d’une décennie à l’amélioration de l’état de l’art dans la modélisation des matériaux 2D, en utilisant des machines de lithographie sophistiquées dans la salle blanche de 1500 m2. Leur travail est basé au Centre de DTU pour le graphène nanostructuré, soutenu par la Fondation nationale de recherche danoise et une partie de The Graphene Flagship.
Le système de lithographie par faisceau d’électrons du DTU Nanolab peut écrire des détails jusqu’à 10 nanomètres. Les calculs informatiques peuvent prédire exactement la forme et la taille des motifs dans le graphène pour créer de nouveaux types d’électronique. Ils peuvent exploiter la charge de l’électron et les propriétés quantiques telles que les degrés de liberté de spin ou de vallée, conduisant à des calculs à grande vitesse avec une consommation d’énergie bien moindre. Ces calculs, cependant, demandent une résolution plus élevée que même les meilleurs systèmes de lithographie peuvent fournir : une résolution atomique.
« Si nous voulons vraiment déverrouiller le coffre au trésor de la future électronique quantique, nous devons descendre en dessous de 10 nanomètres et nous approcher de l’échelle atomique », explique Peter Bøggild, professeur et chef de groupe au DTU Physics.
Et c’est exactement ce que les chercheurs ont réussi à faire.
« Nous avons montré en 2019 que des trous circulaires placés avec un espacement de seulement 12 nanomètres transforment le graphène semi-métallique en un semi-conducteur. Maintenant, nous savons comment créer des trous circulaires et d’autres formes telles que des triangles, avec des angles aigus nanométriques. De tels modèles peuvent trier les électrons en fonction de leur spin et créer des composants essentiels pour la spintronique ou la valleytronics. La technique fonctionne également sur d’autres matériaux 2D. Avec ces très petites structures, nous pouvons créer des métalenses très compactes et réglables électriquement à utiliser dans les communications à haut débit et la biotechnologie », explique Peter Bøggild.
Triangle acéré comme un rasoir
La recherche a été menée par le postdoctorant Lene Gammelgaard, ingénieure diplômée du DTU en 2013 qui a depuis joué un rôle essentiel dans l’exploration expérimentale des matériaux 2D au DTU :
« L’astuce consiste à placer le nanomatériau hexagonal de nitrure de bore sur le matériau que vous souhaitez modeler. Ensuite, vous percez des trous avec une recette de gravure particulière », explique Lene Gammelgaard, et poursuit :
« Le processus de gravure que nous avons développé au cours des dernières années a réduit la taille des motifs en dessous de la limite incassable de nos systèmes de lithographie par faisceau d’électrons d’environ 10 nanomètres. Supposons que nous fassions un trou circulaire d’un diamètre de 20 nanomètres ; le trou dans le graphène peut alors être réduit à 10 nanomètres. Alors que si nous faisons un trou triangulaire, avec les trous ronds provenant du système de lithographie, le downsizing fera un triangle plus petit avec des coins auto-affûtés. Habituellement, les motifs deviennent plus imparfaits lorsque vous les réduisez. C’est le contraire, et cela nous permet de recréer les structures que les prédictions théoriques nous disent optimales.
On peut par exemple produire des lentilles métalliques plates — une sorte de lentille optique super compacte qui peut être commandée électriquement à très hautes fréquences et qui, selon Lene Gammelgaard, peuvent devenir des composants essentiels pour la technologie de communication et la biotechnologie du futur.
Pousser les limites
L’autre personne clé est une jeune étudiante, Dorte Danielsen. Elle s’est intéressée à la nanophysique après un 9eStage -grade en 2012, a remporté une place dans la finale d’un concours national de sciences pour les élèves du secondaire en 2014, et a poursuivi des études en physique et nanotechnologie dans le cadre du programme de spécialisation du DTU pour les étudiants d’élite.
Elle explique que le mécanisme derrière les structures de « super-résolution » n’est toujours pas bien compris :
« Nous avons plusieurs explications possibles à ce comportement de gravure inattendu, mais il y a encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas. Pourtant, c’est une technique passionnante et très utile pour nous. Dans le même temps, c’est une bonne nouvelle pour les milliers de chercheurs du monde entier qui repoussent les limites de la nanoélectronique et de la nanophotonique 2D.
Soutenue par l’Independent Research Fund Denmark, dans le cadre du projet METATUNE, Dorte Danielsen poursuivra ses travaux sur les nanostructures extrêmement pointues. Ici, la technologie qu’elle a aidé à développer sera utilisée pour créer et explorer des métalenses optiques qui peuvent être réglées électriquement.
Référence : “Super-Resolution Nanolithography of Two-Dimensional Materials by Anisotropic Etching” par Dorte R. Danielsen, Anton Lyksborg-Andersen, Kirstine ES Nielsen, Bjarke S. Jessen, Timothy J. Booth, Manh-Ha Doan, Yingqiu Zhou, Peter Bøggild et Lene Gammelgaard, le 25 août 2021, Matériaux et interfaces appliqués ACS.
DOI : 10.1021 / acsami.1c09923
