Du cristal aux nouveaux matériaux 2D
Une nouvelle méthode permet d'étudier des nanostructures allant au-delà des systèmes stratifiés classiques
Annonces
Les matériaux bidimensionnels peuvent présenter des propriétés qui n'existent pas dans leurs systèmes parents tridimensionnels, ce qui les rend particulièrement intéressants pour des applications dans le domaine de l'électronique, par exemple. Jusqu’à présent, les recherches se concentraient principalement sur des cristaux déjà composés de couches faiblement liées. Pour la première fois, une équipe du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de l’Université technique de Dresde (TU Dresden) a mis au point une méthode de calcul efficace permettant de prédire l’existence de couches atomiques séparables dans n’importe quel type de cristal. En analysant plus de 24 000 structures cristallines connues, ils ont identifié 2 531 candidats particulièrement prometteurs. Ces résultats ont été publiés dans *Nature Communications*.
Depuis la production du graphène en 2004, les matériaux bidimensionnels suscitent un vif intérêt scientifique et technologique. Comme ils ne font que quelques couches atomiques d’épaisseur, voire une seule couche atomique, ils peuvent présenter des propriétés électroniques, magnétiques ou chimiques particulières – ce qui les rend particulièrement intéressants pour des applications telles que l’électronique, la catalyse et le stockage d’énergie.
Les exemples les plus connus sont constitués de ce que l’on appelle des cristaux de van der Waals. À l’instar d’un livre, ils sont composés de couches individuelles maintenues ensemble par des forces relativement faibles. Il est donc relativement facile d’en détacher des couches individuelles. Dans les cristaux non stratifiés, en revanche, les atomes forment un réseau tridimensionnel de liaisons nettement plus fortes. Jusqu’à présent, il était difficile de prédire lesquels de ces solides pouvaient être divisés en couches stables.
« Étant donné que cette classe de matériaux est encore très récente, le choix des matériaux adaptés aux expériences reposait souvent sur l’expérience et l’intuition », explique le Dr Rico Friedrich, de l’Institut de physique des faisceaux ioniques et de recherche sur les matériaux du HZDR et de l’Université technique de Dresde. « Grâce à notre méthode universelle, nous pouvons désormais déterminer les points auxquels un cristal, quel que soit le matériau, peut être divisé de manière optimale, et savoir si une structure bidimensionnelle potentiellement stable peut se former au cours du processus. »
La force des liaisons plutôt que de simples distances
Au cœur de cette nouvelle approche se trouve le « eXfoliation and Cleavage Potential », ou XCP en abrégé. Ce modèle de calcul utilise les éléments chimiques impliqués et la distance qui les sépare pour calculer avec une grande précision la force des liaisons entre les atomes individuels. Deux algorithmes supplémentaires recherchent ensuite soit des plans cristallins facilement séparables, soit suppriment progressivement les liaisons les plus faibles du modèle jusqu’à ce qu’il ne reste que des sous-structures bidimensionnelles. Ce faisant, la méthode détecte également les surfaces de séparation inégales au niveau atomique.
« Calculer la structure électronique de chaque surface envisageable prendrait un temps fou », explique l’auteur principal, Tom Barnowsky. « Notre modèle efficace, en revanche, peut explorer de vastes bases de données sur les matériaux avec un effort de calcul minimal. Des calculs détaillés ne sont nécessaires que pour les résultats particulièrement prometteurs. »
Des tests à grande échelle sur des matériaux bidimensionnels déjà produits expérimentalement ont montré que la méthode XCP permet de déterminer de manière fiable les plans d’exfoliation préférentiels. Elle est également mise gratuitement à la disposition des personnes intéressées sous la forme d’un outil en ligne ( http://xcp.hzdr.de/ ).
Des milliers de structures prometteuses
L’équipe a appliqué la méthode à plus de 24 000 structures cristallines connues et non stratifiées issues de l’une des plus grandes bases de données expérimentales sur les matériaux. Parmi celles-ci, les chercheurs ont sélectionné 2 531 candidats particulièrement prometteurs pour des calculs plus précis. Dans ces matériaux, la composition chimique reste inchangée lors du détachement, tandis que les rapports de liaison calculés favorisent fortement la formation d’une structure bidimensionnelle.
Des études complémentaires ont confirmé le potentiel de cette sélection : pour la plupart des candidats, l’équipe a calculé des énergies d’exfoliation relativement faibles. De plus, bon nombre de ces structures se sont révélées stables tant sur le plan dynamique que thermodynamique – une condition préalable fondamentale pour des applications technologiques. Il reste désormais aux expériences de démontrer si et dans quelles conditions ces matériaux peuvent effectivement être produits.
Les matériaux 2D prédits diffèrent nettement des entrées existantes dans la base de données. Certains pourraient même subir un changement fondamental de leurs propriétés électroniques lors de la transition vers une couche mince : les calculs prédisent notamment des composés dans lesquels les cristaux tridimensionnels se comportent comme des semi-conducteurs tout en devenant métalliques en deux dimensions. Dans d’autres cas, une bande interdite directe se forme, ce qui pourrait présenter un intérêt pour les dispositifs optoélectroniques. Les candidats magnétiques pourraient également ouvrir de nouvelles perspectives pour la spintronique dans le traitement et le stockage des données.
« Nos résultats élargissent considérablement l’horizon des matériaux bidimensionnels », résume Friedrich. « La méthode ne garantit pas que chaque candidat puisse être produit en laboratoire. Mais elle montre quels cristaux méritent réellement l’effort expérimental. »
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Annonces
Autres actualités du département science
