Des chercheurs de Penn Engineering ont démontré une méthode de fabrication de “super-réseaux” de grande surface – des structures en couches contenant des réseaux 2D de soufre et de tungstène – capables de réaliser un couplage lumière-matière.
Les appareils photo, les panneaux solaires, les biocapteurs et les fibres optiques sont des technologies qui reposent sur des photodétecteurs, ou des capteurs qui convertissent la lumière en électricité. Avec la réduction de la taille des puces semi-conductrices qui les composent, les photodétecteurs deviennent de plus en plus efficaces et abordables. Cependant, les matériaux et les méthodes de fabrication actuels limitent la miniaturisation, ce qui oblige à faire des compromis entre la taille et les performances.
Le processus traditionnel de fabrication des puces semi-conductrices présente de nombreuses limitations et inconvénients. Les puces sont créées en faisant croître le film semi-conducteur sur le dessus d’une plaquette de telle sorte que la structure cristalline du film soit alignée avec celle de la plaquette de substrat. Cela rend difficile le transfert du film sur d’autres matériaux de substrat, ce qui réduit son applicabilité.
En outre, la méthode actuelle de transfert et d’empilement de ces films se fait par exfoliation mécanique, un processus au cours duquel un morceau de ruban arrache le film semi-conducteur et le transfère ensuite sur un nouveau substrat, couche par couche. Ce processus donne lieu à de multiples couches non uniformes empilées les unes sur les autres, les imperfections de chaque couche s’accumulant dans le produit final. Ce processus a un impact sur la qualité du produit et limite la reproductibilité et l’évolutivité des puces.
Les matériaux dits “bidimensionnels” ont des propriétés électriques et photoniques uniques, mais leurs facteurs de forme ultra-minces posent des problèmes pratiques lorsqu’ils sont incorporés dans des dispositifs. Des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie ont mis au point une méthode permettant de fabriquer des “super-réseaux” de grande surface – des structures en couches contenant des réseaux 2D de soufre et de tungstène – capables de réaliser un couplage lumière-matière. Crédit : Université de Pennsylvanie
Enfin, certains matériaux ne fonctionnent pas bien sous forme de couches extrêmement fines. Le silicium reste omniprésent en tant que matériau de choix pour les puces à semi-conducteurs, mais plus il est fin, moins il est performant en tant que structure photonique, ce qui le rend moins idéal pour les photodétecteurs. D’autres matériaux qui se comportent mieux que le silicium en tant que couches extrêmement minces nécessitent toujours une certaine épaisseur pour interagir avec la lumière, ce qui pose le défi d’identifier les matériaux photoniques optimaux et leur épaisseur critique pour fonctionner dans les puces à semi-conducteurs photodétecteurs.
La fabrication de films semi-conducteurs photoniques uniformes, extrêmement minces et de haute qualité à partir de matériaux autres que le silicium rendrait les puces semi-conductrices plus efficaces, plus applicables et plus évolutives.
Les ingénieurs de Penn, Deep Jariwala, professeur adjoint en génie électrique et des systèmes, et Pawan Kumar et Jason Lynch, un boursier postdoctoral et un étudiant en doctorat dans son laboratoire, ont dirigé une étude publiée dans Nature Nanotechnology qui visait à faire exactement cela. Eric Stach, professeur en science et génie des matériaux, ainsi que son post-doc Surendra Anantharaman, son doctorant Huiqin Zhang et son étudiant de premier cycle Francisco Barrera ont également contribué à ce travail. L’étude collaborative comprenait également des chercheurs de Penn State, d’AIXTRON, d’UCLA, du laboratoire de recherche de l’armée de l’air et du laboratoire national de Brookhaven, et était principalement financée par le laboratoire de recherche de l’armée. Leur article décrit une nouvelle méthode de fabrication de super-réseaux atomiquement minces, ou de films semi-conducteurs, qui émettent beaucoup de lumière.
Un-atome-Les matériaux épais se présentent généralement sous la forme d’un réseau, ou d’une couche d’atomes géométriquement alignés qui forment un motif spécifique à chaque matériau. Un super-réseau est constitué de réseaux de matériaux différents empilés les uns sur les autres. Les super-réseaux ont des propriétés optiques, chimiques et physiques totalement nouvelles qui les rendent adaptables à des applications spécifiques telles que la photo optique et d’autres capteurs.
L’équipe de Penn Engineering a fabriqué un super-réseau de cinq atomes d’épaisseur, composé de tungstène et de soufre (WS2).
” Après deux ans de recherche à l’aide de simulations qui nous ont informés de la façon dont le super-réseau interagirait avec l’environnement, nous étions prêts à construire expérimentalement le super-réseau “, explique Kumar. “Parce que les super-réseaux traditionnels sont cultivés directement sur un substrat souhaité, ils ont tendance à avoir une épaisseur de millions d’atomes et sont difficiles à transférer sur d’autres substrats matériels. Nous avons collaboré avec des partenaires industriels pour faire en sorte que nos super-réseaux d’une épaisseur atomique de plusieurs millions d’atomes puissent être transférés sur d’autres substrats.Les super-réseaux ont été développés pour être évolutifs et applicables à de nombreux matériaux différents.”
Ils ont fait croître des monocouches d’atomes, ou réseaux, sur une plaquette de deux pouces, puis ont dissous le substrat, ce qui permet de transférer le réseau sur n’importe quel matériau souhaité, dans leur cas, du saphir. Ils ont ensuite dissous le substrat, ce qui permet de transférer le réseau sur n’importe quel matériau souhaité, dans leur cas, le saphir. En outre, leur réseau a été créé avec des unités répétitives d’atomes alignées dans une direction afin de rendre le super-réseau bidimensionnel, compact et efficace.
“Notre conception est également évolutive”, déclare Lynch. “Nous avons pu créer un super-réseau avec une surface mesurée en centimètres avec notre méthode, ce qui constitue une amélioration majeure par rapport à l’échelle du micron des super-réseaux de silicium actuellement produits. Cette évolutivité est possible grâce à l’épaisseur uniforme de nos super-réseaux, qui rend le processus de fabrication simple et reproductible. L’évolutivité est importante pour pouvoir placer nos super-réseaux sur les puces standard de quatre pouces de l’industrie.”
La conception de leur super-réseau n’est pas seulement extrêmement fine, ce qui le rend léger et rentable, il peut également émettre de la lumière, et pas seulement la détecter.
“Nous utilisons un nouveau type de structure dans nos super-réseaux qui implique des excitons-polaritons, qui sont des particules de quasi-état composées à moitié de matière et à moitié de lumière”, explique Lynch. “La lumière est très difficile à contrôler, mais nous pouvons contrôler la matière, et nous avons découvert qu’en manipulant la forme du super-réseau, nous pouvions indirectement contrôler la lumière émise par celui-ci. Cela signifie que notre super-réseau peut être une source de lumière. Cette technologie a le potentiel d’améliorer considérablement les systèmes lidar des voitures à conduite autonome, la reconnaissance faciale et la vision par ordinateur.”
Le fait de pouvoir à la fois émettre et détecter la lumière avec le même matériau ouvre la porte à des applications plus complexes.
“Une technologie actuelle pour laquelle je vois notre super-réseau être utilisé est celle des puces informatiques photoniques intégrées qui sont alimentées par la lumière”, explique Lynch. “La lumière se déplace plus rapidement que les électrons, de sorte qu’une puce alimentée par la lumière augmentera la vitesse de calcul, rendant le processus plus efficace, mais le défi a été de trouver une source de lumière qui puisse alimenter la puce. Notre super-réseau pourrait être une solution à cet égard.”
Les applications de cette nouvelle technologie sont diverses et comprendront probablement la robotique de haute technologie, les fusées et les lasers. En raison de la large gamme d’applications de ces super-réseaux, l’évolutivité est très importante.
“Nos super-réseaux sont fabriqués à l’aide d’un processus général et non sophistiqué qui ne nécessite pas de multiples étapes dans une salle blanche, ce qui permet de répéter facilement le processus”, explique M. Kumar. “De plus, la conception est applicable à de nombreux types de matériaux différents, ce qui permet une certaine adaptabilité.”
“Dans le monde de la technologie, il y a une évolution constante des choses vers l’échelle nanométrique”, dit-il. “Nous allons certainement assister à un amincissement des micropuces et des structures qui les composent, et notre travail sur le matériau bidimensionnel fait partie de cette évolution.”
“Bien sûr, à mesure que nous amincissons les choses et que nous rendons la technologie de plus en plus petite, nous commençons à interagir avec la mécanique quantique et c’est alors que nous voyons des phénomènes intéressants et inattendus se produire”, dit Lynch. “Je suis très enthousiaste à l’idée de faire partie d’une équipe qui introduit la mécanique quantique dans une technologie à fort impact.”
Référence : “Light-matter coupling in large-area van der Waals superlattices” par Pawan Kumar, Jason Lynch, Baokun Song, Haonan Ling, Francisco Barrera, Kim Kisslinger, Huiqin Zhang, Surendra B. Anantharaman, Jagrit Digani, Haoyue Zhu, Tanushree H. Choudhury, Clifford McAleese, Xiaochen Wang, Ben R. Conran, Oliver Whear, Michael J. Motala, Michael Snure, Christopher Muratore, Joan M. Redwing, Nicholas R. Glavin, Eric A. Stach, Artur R. Davoyan et Deep Jariwala, 2 décembre 2021, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-021-01023-x
