Matériaux 2D

Matériaux 2D sont des cristaux d’une épaisseur de seulement un ou quelques atomes – des feuilles dont la largeur peut s’étendre sur des centimètres alors que leur épaisseur est une seule couche atomique. Confiner des électrons dans un plan modifie profondément le comportement d'un matériau, et cette famille est devenue l'un des domaines les plus actifs en physique, en chimie et en ingénierie des dispositifs de la matière condensée.

Découverte et révolution du graphène

Le domaine a débuté en 2004, quand Andre Geim et Konstantin Novoselov ont isolé graphène — une seule couche d'atomes de carbone — en pelant à plusieurs reprises le graphite avec du ruban adhésif. Le fait qu'un cristal d'un atome d'épaisseur puisse être stable à température ambiante a renversé des doutes théoriques de longue date et les deux hommes ont reçu le prix Nobel de physique en 2010. Le graphène est un réseau hexagonal unique de carbone lié sp² dont les électrons se déplacent selon une relation énergie-impulsion linéaire de type relativiste (Dirac), donnant des mobilités de porteurs de charge à température ambiante supérieures à 200 000 cm² V⁻¹ s⁻¹ – bien supérieures à celles du silicium.

Les principales familles

Le graphène est l'une de plusieurs familles. D'autres semi-métaux en nid d'abeilles - silicène, germanène et stanène - partagent sa géométrie mais ajoutent un couplage spin-orbite important qui ouvre de petites bandes interdites. Dichalcogénures de métaux de transition (TMD) tels que MoS₂, WS₂ et WSe₂ ont la structure MX₂ (une couche métallique entre deux couches de chalcogène) et passent d'une bande interdite indirecte à une bande interdite directe d'environ 1,8 à 2,0 eV lorsqu'ils sont amincis en une monocouche, produisant une photoluminescence brillante utile pour l'optoélectronique. Nitrure de bore hexagonal (h-BN) est le cousin isolant, avec un large écart d'environ 6 eV et une surface atomiquement plate et sans défaut qui en fait le substrat et l'encapsulant standard. Les membres les plus récents comprennent le phosphore noir, les MXènes métalliques et le borophène.

Propriétés et applications

La dimensionnalité réduite augmente le rapport surface/volume et renforce le confinement quantique, remodelant le comportement de la charge, de la chaleur et de la lumière. Dans les TMD semi-conducteurs, les paires électron-trou (excitons) se lient si étroitement (des centaines de meV) qu'elles survivent à température ambiante, permettant ainsi l'utilisation de LED, de lasers et de photodétecteurs. La bande interdite nulle du graphène permet l'électronique ultrarapide et les appareils térahertz, mais l'empêche de s'éteindre complètement, limitant ainsi son utilisation en logique numérique. Empiler différentes feuilles dans hétérostructures de van der Waals permet aux ingénieurs de combiner les propriétés couche par couche, et la grande surface réglable fait des matériaux 2D de bons candidats pour la catalyse, les batteries, les supercondensateurs et la détection chimique.

Bicouches torsadées et physique du moiré

Un développement historique a eu lieu en 2018, lorsque le groupe de Pablo Jarillo-Herrero a montré que l'empilement de deux feuilles de graphène et leur torsion selon un « angle magique » d'environ 1,1° produisaient un super-réseau moiré dans lequel les électrons ralentissaient considérablement et le matériau devenait supraconducteur. Cela a lancé le domaine de la « twistronique », où l'angle de torsion entre les couches devient un nouveau bouton expérimental pour l'ingénierie des états électroniques corrélés et topologiques – l'une des frontières les plus actives de la physique des matériaux moderne.