L’avancée majeure des ingénieurs du MIT dans la création d’une nouvelle famille de matériaux semi-conducteurs

Conception d’artiste de la croissance épitaxiale d’un film mince de pérovskite de chalcogénure. Le matériau représente une nouvelle famille de semi-conducteurs. Crédit : Felice Frankel

Ultrastables et constituées d’éléments peu coûteux et non toxiques, les pérovskites à chalcogénure pourraient trouver des applications dans les cellules solaires, l’éclairage, etc.

AVEC les ingénieurs rapportent avoir créé les premiers films minces de haute qualité d’une nouvelle famille de matériaux semi-conducteurs. L’exploit, que le chercheur principal Rafael Jaramillo appelle sa “baleine blanche” en raison de son obsession de le poursuivre au fil des ans, a le potentiel d’avoir un impact sur plusieurs domaines de la technologie si l’histoire se répète. La capacité de créer des films de haute qualité d’autres familles de semi-conducteurs a conduit à des ordinateurs, des cellules solaires, des caméras de vision nocturne, etc.

Lors de l’introduction d’un nouveau matériau, « les percées scientifiques les plus importantes ne sont possibles que lorsque nous avons accès aux matériaux de la plus haute qualité disponibles », explique Jaramillo, professeur agrégé Thomas Lord de science et d’ingénierie des matériaux au MIT. « L’étude de matériaux de faible qualité aboutit souvent à des faux négatifs en ce qui concerne leur intérêt scientifique et leur potentiel technologique. »

La nouvelle famille de semi-conducteurs, connue sous le nom de pérovskites à chalcogénure, pourrait avoir des applications dans les cellules solaires et l’éclairage, dit Jaramillo. Il note, cependant, que “l’histoire de la recherche sur les semi-conducteurs montre que les nouvelles familles de semi-conducteurs permettent généralement d’agir de manière non prévisible”.

Une fleur bleue se reflète dans une fine couche d’un nouveau matériau semi-conducteur développé au MIT. La netteté du reflet témoigne de la haute qualité du film. Crédit : Photo reproduite avec l’aimable autorisation de Jaramillo et al.

Jaramillo est enthousiasmé par le potentiel des nouveaux matériaux car ils sont ultrastables et composés d’éléments peu coûteux et non toxiques. Les couches minces créées par son équipe sont composées de baryum, de zirconium et de soufre dans une structure cristalline spécifique, « la pérovskite chalcogénure prototypique », explique Jaramillo. « Vous pouvez faire des variations en changeant la composition. Il s’agit donc bien d’une famille de matériaux, pas seulement d’une pièce unique.

Le travail a été publié dans le numéro du 3 novembre 2021 de Matériaux fonctionnels avancés. Les coauteurs de Jaramillo sont Ida Sadeghi, postdoctorante au Département de science et génie des matériaux (DMSE) et premier auteur de l’article ; Kevin Ye, Michael Xu et Yifei Li, tous étudiants diplômés du DMSE ; et James M. LeBeau, professeur agrégé John Chipman de science et génie des matériaux au MIT.

Un peu d’histoire

Les pérovskites à chalcogénure ont été fabriquées dès les années 1950 par des chimistes français. Des travaux similaires ont été répétés dans les années 80 et au début des années 90, mais « l’idée que ces matériaux seraient des semi-conducteurs utiles n’est apparue qu’au début des années 2010 », explique Jaramillo. C’est alors que Jaramillo et quelques autres, dont Jayakanth Ravichandran et Joseph Bennett, tous post-doctorants à l’époque, ont identifié indépendamment leur potentiel.

Aujourd’hui, Ravichandran et Bennett sont respectivement professeurs à l’Université de Californie du Sud et à l’Université du Maryland Baltimore County ; Jaramillo compte les deux comme des amis. Ravichandran, que Jaramillo a rencontré lorsque les deux étaient post-doctorants à l’Université de Harvard, a également poursuivi l’objectif de créer des films de pérovskite de chalcogénure de haute qualité, bien qu’en utilisant une approche différente. Ravichandran a également continué avec succès dans ce domaine.

Comment ils ont fait

Jaramillo et ses collègues ont utilisé une technique appelée épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) pour développer leurs films de haute qualité. La technique permet un contrôle au niveau atomique sur la croissance cristalline, mais « c’est extrêmement difficile à faire et il n’y a aucune garantie de succès [with a new material], dit Jaramillo. Néanmoins, « l’histoire de la technologie des semi-conducteurs montre la valeur du développement du MBE. C’est pourquoi cela vaut la peine d’essayer.

Comme son nom l’indique, MBE dirige essentiellement des faisceaux de molécules vers un arrangement spécifique d’atomes sur une surface («taxy», comme dans l’épitaxie, signifie arrangement ou orientation). Cet arrangement d’atomes fournit un modèle sur lequel les molécules rayonnées se développent. « C’est pourquoi la croissance épitaxiale vous donne des films de la plus haute qualité. Les matériaux savent pousser », explique Jaramillo.

Le travail difficile a été encore aggravé par un autre facteur : « les produits chimiques nécessaires pour fabriquer les chalcogénures sont désagréables. Ils puent et peuvent abîmer l’équipement », dit Jaramillo. MBE se déroule dans une chambre à vide, et Jaramillo se souvient de la réticence des gens à autoriser son groupe à accéder à leurs chambres.

Selon Hideo Hosono, professeur à l’Institut de technologie de Tokyo qui n’a pas participé aux travaux, « les couches minces [created by Jaramillo et al.] montrer une image lisse comme un miroir grâce à une surface atomiquement plate et une excellente qualité. Nous pouvons anticiper la réalisation de la fabrication de dispositifs tels que des cellules solaires et des LED vertes comme les prochaines publications. »

Et après?

“C’est presque une question de ce qui n’est pas la prochaine”, dit Jaramillo. « Maintenant que nous pouvons fabriquer ces matériaux de haute qualité, il n’y a presque aucune mesure que nous pourrions faire qui ne serait pas intéressante pour une large communauté de personnes. » Pour l’instant, son groupe se concentre sur deux axes : l’exploration de questions fondamentales pour mieux comprendre les matériaux, et leur intégration dans les cellules solaires. Dans l’un de ses rendez-vous postdoctoraux avant de rejoindre la faculté du MIT, Jaramillo a travaillé sur les cellules solaires.

Les pérovskites de chalcogénure ne sont pas le seul objectif du laboratoire de Jaramillo au MIT. “Mais c’est certainement le projet dont nous sommes le plus fiers car il a demandé le plus d’efforts et la gratification la plus tardive.”

Référence : « Faire BaZrS₃ Chalcogenide Perovskite Thin Films by Molecular Beam Epitaxy » de Ida Sadeghi, Kevin Ye, Michael Xu, Yifei Li, James M. LeBeau et Rafael Jaramillo, 16 août 2021, Matériaux fonctionnels avancés.
DOI : 10.1002 / adfm.202105563

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation, l’Office of Naval Research, l’Institut des sciences et technologies de Skolkovo dans le cadre du programme MIT-Skoltech Next Generation et l’Air Force Office of Scientific Research.

Des installations gérées par le MIT Materials Research Laboratory et par MIT.nano ont été utilisées pour une partie des travaux.