Les Matériaux Semiconducteurs 2D : Avancées et Défis pour l'Électronique et l'Optoélectronique

Les matériaux 2D ont suscité un intérêt considérable dans la communauté scientifique, et, parmi eux, le graphène se distingue par son potentiel exceptionnel. Toutefois, d'autres matériaux 2D semi-conducteurs, tels que les TMDCs (dichalcogénures de métaux de transition), l'hexagonal nitride de bore (h-BN) et le phosphore noir (BP), ont également émergé, élargissant ainsi le champ d’investigation scientifique. Ces cristaux 2D possèdent des caractéristiques remarquables qui les rendent prometteurs pour des applications de pointe dans les domaines de l'électronique et de l'optoélectronique. Leur mobilité électronique élevée, leur gap de bande adapté, leur capacité d’absorption de lumière efficace, ainsi que leurs propriétés impressionnantes de photo-réactivité ouvrent de nouvelles perspectives technologiques.

Les photodétecteurs traditionnels fonctionnent selon le principe de la photoconductivité, mais l'émergence des photodétecteurs à base de matériaux 2D a permis des avancées spectaculaires en matière de détection optique. Le graphène, bien qu'il absorbe un large spectre lumineux, présente des limitations pour la fabrication de photodétecteurs efficaces. L'absence de gap de bande le rend inapproprié pour des détecteurs sensibles, car il génère un courant sombre trop élevé et une faible efficacité d'absorption de la lumière. En dépit de ces défauts, il reste un matériau de premier plan pour des applications innovantes en optoélectronique.

Cependant, la réponse des photodétecteurs à base de phosphore noir à la lumière visible est limitée en raison de son gap de bande. Pour surmonter cette contrainte, des chercheurs ont tenté de créer des hétérojonctions entre le phosphore noir et le MoS2, mais ces structures présentent des défis importants. Seuls les couches monomoléculaires et bilaminaires de MoS2, qui possèdent un gap de bande direct, permettent une interaction efficace entre la lumière et la matière, facilitant ainsi l'absorption et la réponse optique. Créer une hétérojonction efficace entre le BP et le MoS2 reste complexe, mais les recherches se poursuivent pour optimiser ces dispositifs.

Les lasers à base de matériaux 2D ont également fait l'objet de nombreuses recherches récentes. Par exemple, l'utilisation d'une cavité nanophotonique en cristal a permis la réalisation d'un laser à faible seuil et en onde continue à partir de WSe2 monomoléculaire à des températures inférieures à 160 K. De même, des expériences ont montré la possibilité de produire un laser avec du WS2 monomoléculaire à température cryogénique (10 K) en utilisant un résonateur microdisque et une stimulation par laser à impulsions ultracourtes. De telles avancées ouvrent la voie à des applications dans des dispositifs optoélectroniques hautement performants.

Les progrès dans la fabrication de structures à hétérojonction, comme le diodes p-n à base de WS2 de type n et de BP de type p, montrent des résultats prometteurs. Par exemple, une étude a démontré que la diode BP/WS2 présente une photo-réactivité remarquable avec un courant de court-circuit de 0,6 μA et une tension de circuit ouvert de 0,35 V sous une irradiation de 600 nm, atteignant une efficacité quantique externe (EQE) record de 103 %. Cela suggère un potentiel important pour les dispositifs de commutation optique et les applications de détection photonique.

Les matériaux 2D à large gap de bande, comme le MoTe2 et le MoSe2, ont également montré des propriétés intéressantes pour des applications en biosensing et en commutation. Ces matériaux, utilisés dans des transistors à effet de champ (FET) basés sur des matériaux 2D, ont permis la détection de diverses biomolécules, offrant ainsi des perspectives novatrices dans le domaine de la biotechnologie et de la médecine. Une étude récente a démontré la capacité du MoSe2 à détecter des protéines cibles comme la streptavidine avec une grande précision, une performance qui pourrait transformer les systèmes de détection biophysique.

L'avenir des matériaux semi-conducteurs 2D semble prometteur, mais il reste encore de nombreux défis à relever pour rendre ces matériaux compétitifs sur le marché des dispositifs électroniques et optoélectroniques. La maîtrise de la fabrication de ces matériaux, l'amélioration de leurs propriétés de performance et la résolution des défis liés à l'intégration de ces nouveaux dispositifs dans des systèmes complexes sont des étapes cruciales pour réaliser tout leur potentiel.

Comment les matériaux 2D améliorent les dispositifs optoélectroniques et télécommunications : Focus sur les MXenes, le graphène et le bore nitré hexagonal

Les travaux de Ren et al. sur un guide d'ondes hybride graphène-oxyde de graphène ont montré comment ces matériaux améliorent la reproduction de phase des signaux modifiés en star-16QAM (modulation d'amplitude en quadrature 16 étoiles). Grâce à l'augmentation de l'électrochimie appliquée, un point de dispersion proche de zéro se déplace vers la droite, tandis que le graphène ajuste les caractéristiques de dispersion multi-ordres du guide d'ondes. L’oxydation du graphène permet d’accroître la non-linéarité du guide d’ondes, avec un coefficient de non-linéarité atteignant 1.53 × 10^6/m/W. Cela améliore l’efficacité du traitement des signaux et réduit la magnitude de l'erreur du vecteur (EVM) de 39,25 % à 2,14 %, tout en diminuant efficacement le bruit de phase.

L'utilisation de matériaux nanostructurés dans les technologies piezoélectriques connaît également un intérêt croissant, notamment dans les applications médicales où des matériaux peuvent être activés à distance par ultrasons. Des études ont montré que les nanoflakes de boron nitré, créés par exfoliation mécano-chimique, présentent une forte réponse piezoélectrique lorsqu'exposés à des ondes ultrasonores. Ces matériaux peuvent ainsi être utilisés pour la détection à distance et pour des applications dans la surveillance de l'intensité acoustique.

Un autre domaine fascinant est celui des MXenes, des matériaux bidimensionnels qui présentent des conductivités électriques métalliques exceptionnelles et des surfaces hydrophiles avec une richesse de groupes fonctionnels. Ces matériaux sont de plus en plus utilisés pour des applications dans le stockage d'énergie, les cellules solaires, la détection, la tribologie, et la protection contre les interférences électromagnétiques. En particulier, les MXenes sont utilisés dans des dispositifs comme les microsupercondensateurs à état solide couplés à des générateurs triboélectriques pour la détection des champs électriques atmosphériques (AEF), permettant ainsi la conversion de l'énergie radiante en énergie électrique.

L’un des avantages importants de ces matériaux réside dans leur capacité à capter et stocker l’énergie des champs électriques ambiants, comme ceux générés par la foudre. Ces systèmes peuvent être utilisés pour stocker de l'énergie, détecter des aérosols dans l'atmosphère, et même pour la surveillance des tremblements de terre. En exploitant l'induction électrostatique, les matériaux comme les MXenes sont capables de convertir cette énergie captée en énergie électrique utilisable, ouvrant ainsi la voie à des dispositifs de stockage d'énergie autonomes et à faible consommation.

Ainsi, les matériaux 2D, en particulier le graphène, le bore nitré hexagonal et les MXenes, jouent un rôle crucial dans l’avancement des technologies modernes de télécommunications, d’optoélectronique, et de stockage d’énergie. Leur capacité à modifier les propriétés électriques et optiques des dispositifs, ainsi que leur potentiel pour des applications énergétiques et de détection à distance, en font des acteurs essentiels de l'innovation technologique.

Il est fondamental de comprendre que l’intégration de ces matériaux dans des systèmes complexes requiert non seulement des recherches sur leur efficacité et leur stabilité à long terme, mais aussi sur les méthodes de fabrication et d’assemblage des composants dans des conditions réelles. De plus, les défis liés à la mise en œuvre de ces matériaux dans des dispositifs pratiques, comme la gestion de la dispersion de la chaleur, la durabilité des matériaux et l'optimisation des procédés de fabrication, doivent être résolus pour garantir leur succès dans des applications industrielles et commerciales à grande échelle.

Quels sont les défis liés à la croissance et à la performance des puces à base de matériaux semi-conducteurs 2D ?

Les difficultés liées à la croissance des matériaux 2D SCMs sur des substrats semi-conducteurs sont multiples. L'une des premières préoccupations est la scalabilité, c’est-à-dire la capacité à synthétiser des matériaux 2D de haute qualité sur des surfaces de grande taille, nécessaires pour la production de puces en grande série. Actuellement, les méthodes de croissance de ces matériaux à l'échelle du wafer restent insuffisantes pour garantir une reproductibilité à grande échelle. Ensuite, la croissance à basse température représente un autre obstacle majeur. Les méthodes classiques de dépôt, comme la CVD (Chemical Vapor Deposition), nécessitent des températures de croissance élevées, souvent supérieures à 600°C, ce qui est incompatible avec les matériaux semi-conducteurs utilisés dans les étapes de fabrication des puces, comme le silicium, qui se dégradent à des températures supérieures à 450°C. C’est pourquoi la technique de transfert est souvent privilégiée pour poser les monolayers 2D sur les substrats de puces.

Sur le plan de la performance des dispositifs, l'un des principaux problèmes rencontrés est la résistance de contact élevée. Cette résistance est causée par la barrière Schottky formée entre le métal de contact et le semi-conducteur 2D, ce qui limite la performance des transistors réalisés à partir de matériaux comme le MoS2 ou le WSe2. La hauteur de cette barrière Schottky dépend de la fonction de travail du métal et de l'affinité électronique du semi-conducteur, et elle peut être influencée par des défauts à l'interface. Afin de réduire cette résistance, des matériaux métalliques alternatifs, comme le graphène, sont souvent envisagés, car leur faible mismatch de réseau avec les matériaux 2D permet de réduire la résistance de contact. De plus, des couches de tunneling oxydées, comme le Ta2O5, peuvent également être insérées entre le matériau 2D et le métal pour améliorer la performance du contact.

Un autre problème récurrent est l'effet de court-circuit dans les transistors à base de matériaux 2D. En raison de leur extrême finesse (monocouches d'atomes), ces transistors sont susceptibles de souffrir de courts-circuits, ce qui peut entraîner une mauvaise gestion de l'« off state » du transistor. Pour éviter cet effet, il est nécessaire d’utiliser des couches isolantes extrêmement fines, comme le h-BN (hexagonal boron nitride), qui permet d'isoler efficacement le canal du transistor.

Enfin, la question du refroidissement et de la dissipation thermique devient de plus en plus importante avec l'augmentation de la densité d'intégration des transistors. À mesure que les transistors deviennent de plus en plus petits, la capacité à dissiper la chaleur devient une limitation fondamentale. Pour résoudre ce problème, la recherche se tourne vers des solutions telles que les canaux microfluidiques ou des matériaux supplémentaires, comme des couches ayant une conductivité thermique élevée (par exemple, le h-BN), afin de mieux évacuer la chaleur.