Les hétérostructures vdWs, composées de couches atomiquement minces empilées de matériaux bidimensionnels (2D), ne sont pas uniquement définies par leurs monocouches constitutives, mais aussi par leurs interactions intercalaires. Ces structures présentent des dynamiques uniques des états excités, notamment la formation d'excitons intercalaires, un transfert rapide de charges entre les couches, la persistance des polarités spin et vallée dans les porteurs résidents, ainsi que l’émergence d'excitons piégés dans les vallées au sein de super-réseaux moiré. Parmi ces hétérostructures 2D, les matériaux semi-conducteurs composés de couches superposées de TMDC (dichalcogénures de métaux de transition) sont particulièrement étudiés en raison de leurs états excitoniques distinctifs et de l'accès à la liberté de la vallée.

L’introduction des super-réseaux moiré, ces motifs périodiques créés par l'empilement de deux matériaux monomoléculaires 2D ayant une inadéquation de réseau ou un décalage de rotation, permet de manipuler la structure de bande électronique et les propriétés optiques des hétérostructures vdWs. Ces découvertes s’inscrivent dans la continuité des recherches menées après l'observation des excitons intercalaires dans les spectres de photoluminescence. Ces excitons intercalaires, dont la découverte remonte à 2015, ont été initialement démontrés dans les hétérostructures monomoléculaires MoSe2/WSe2, où une résonance distincte supplémentaire est apparue sous les excitons intra-couches, comme le montre la figure 8.2(a) et (b). Contrairement aux excitons intra-couches sous une excitation faible, ce pic de basse énergie présente une intensité de photoluminescence (PL) nettement augmentée, ce qui indique la forte population d’excitons intercalaires.

La mesure directe de l'énergie de liaison des excitons intercalaires a également été démontrée dans les hétéro-bilayers WSe2/WS2, où une résonance 1s-2p innovante a été observée à l'aide de pulses infrarouges moyens phasés. Parallèlement, les dynamiques des excitons moiré, liées aux excitons intercalaires, ont fait l'objet d'études approfondies. Les chercheurs ont observé des transferts de charges sous-picosecondes dans ces hétérostructures grâce à des mesures de l'absorption transitoire, après excitation résonnante des excitons par des impulsions laser ultrarapides. Ces recherches ont permis d’étudier l'impact des potentiels moiré sur l'émission et l'absorption lumineuses dans les bilayers TMDC, offrant des perspectives nouvelles par rapport aux études portant sur les hétéro-bilayers graphène-nitride de bore.

L'émission et l'absorption lumineuses dans ces structures TMDC sont principalement régies par les excitons, des états liés formés par les électrons et les trous. Ces excitons interagissent avec la lumière de polarisation spécifique, dictée par la symétrie locale des atomes arrangés périodiquement dans l'hétéro-bilayer. Les lignes d'émission des excitons constituent des empreintes caractéristiques du moment magnétique et des propriétés de vallée des paires électron-trou qui les composent. Ces travaux donnent un premier aperçu des possibilités offertes par la combinaison de deux matériaux différents et l’altération de leurs propriétés optiques simplement en ajustant l’angle de torsion entre les couches.

Les propriétés optiques de ces structures sont également fortement influencées par la formation d'excitons dans des conditions où les effets de la polarisation de vallée et des états excités sont cruciaux. Le contrôle précis de ces excitons intercalaires et moiré ouvre la voie à des dispositifs optoélectroniques non linéaires, exploitant les propriétés uniques de ces matériaux 2D pour des applications futures.

Les matériaux 2D, et en particulier les TMDC, possèdent ainsi des dynamiques excitées complexes qui vont bien au-delà des propriétés simples observées dans les matériaux traditionnels. Les possibilités d’exploiter ces matériaux pour des technologies optoélectroniques avancées, telles que les dispositifs photovoltaïques, les détecteurs à faible consommation d’énergie ou encore les lasers à semi-conducteurs, se multiplient à mesure que ces phénomènes sont mieux compris et maîtrisés.

Les Transistors et Circuits Logiques Basés sur les Matériaux Semiconducteurs 2D : Révolutions et Défis

Les matériaux semiconducteurs bidimensionnels (2D) sont en train de redéfinir les frontières de l'électronique moderne, avec des applications de plus en plus prometteuses dans les transistors, les circuits logiques et les circuits intégrés. Ces matériaux, notamment le MoS2, le WS2 et d'autres dichalcogénures de métaux de transition, ont attiré une attention croissante grâce à leurs propriétés exceptionnelles, qui les distinguent des semiconducteurs traditionnels.

Les transistors 2D ont montré des gains en tension exceptionnels, des courbes caractéristiques de faible tension de seuil (SS), et des performances électriques qui surclassent les technologies classiques de silicium. En effet, ces matériaux permettent des dispositifs plus compacts et des performances accrues, un facteur critique dans la miniaturisation et l'augmentation de la vitesse des circuits intégrés.

En particulier, les matériaux 2D comme le MoS2 et le phosphorène ont permis de réduire considérablement la taille des canaux de transistors, ouvrant la voie à des dispositifs de taille nanométrique. Les avantages de ces technologies sont évidents dans la fabrication de transistors avec des longueurs de grille sub-nanométriques, de l'ordre de 1 nm ou même moins, ce qui est bien au-delà des capacités des transistors en silicium traditionnels. Ces transistors à faible consommation et à haute mobilité des porteurs représentent un nouveau paradigme pour les circuits logiques et les microprocesseurs.

Les matériaux 2D offrent également des avantages indéniables pour l'intégration de circuits à échelle moléculaire. Par exemple, la combinaison de couches de MoS2 ou de WSe2 avec des métaux de transition permet de fabriquer des circuits logiques plus complexes tout en maintenant des performances thermiques et électriques optimisées. En outre, les structures verticales et les transistors à grille tout autour (GAA) sur matériaux 2D présentent des promesses pour des dispositifs encore plus compacts avec une densité de courant bien supérieure.

Toutefois, malgré les avancées technologiques, des défis importants demeurent. Le contrôle de la qualité des matériaux à grande échelle reste un obstacle majeur. Les défauts dans les matériaux 2D, notamment dans les interfaces et les contacts, peuvent affecter les performances des dispositifs. De plus, le processus de dopage, essentiel pour le contrôle des caractéristiques électriques des matériaux, demeure complexe, surtout lorsqu'il s'agit de maintenir une uniformité sur de grandes surfaces de wafers.

Les circuits logiques construits sur des transistors 2D ont également montré une grande flexibilité, permettant de les utiliser dans des applications qui requièrent une grande adaptabilité et une résistance mécanique accrue, par exemple, dans des dispositifs portables ou flexibles. Les systèmes à base de MoS2, en particulier, ont démontré une capacité impressionnante à maintenir des performances élevées même dans des conditions de flexion ou de déformation.

Il est également essentiel de comprendre que ces matériaux ne sont pas une panacée. Bien que leur potentiel soit indéniable, le coût de fabrication et les défis liés à la production à grande échelle restent des obstacles majeurs. La transition du laboratoire à la production industrielle implique de surmonter des problèmes d'intégration, de fiabilité et de scalabilité, particulièrement dans les processus de fabrication à l'échelle des wafers de 300 mm.

Au-delà des avantages théoriques des matériaux semiconducteurs 2D, l’un des principaux enjeux consiste à maîtriser l’intégration de ces matériaux dans des processus de fabrication qui soient compatibles avec les normes industrielles actuelles. Des innovations comme les circuits logiques sur silicium hybride, intégrant à la fois des composants 2D et du silicium, pourraient être une solution viable, mais nécessitent encore des recherches supplémentaires pour garantir leur efficacité à grande échelle.

L'avenir de ces technologies pourrait également être marqué par une convergence de l’électronique et de la photonique, avec des matériaux 2D utilisés pour des applications optoélectroniques intégrées, telles que les capteurs, les dispositifs de communication à haute fréquence et les processeurs optiques. Ces développements pourraient non seulement rendre les appareils plus rapides, mais aussi plus intelligents et plus économes en énergie.

Ainsi, bien que les perspectives d'avenir soient prometteuses, la recherche continue est essentielle pour résoudre les problèmes pratiques qui ralentissent l'adoption industrielle de ces technologies de pointe. Les progrès dans la fabrication de transistors 2D et dans la réduction des défauts matériels seront cruciaux pour transformer ces théories et recherches en applications réelles.

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