Une équipe dirigée par l’Université de Washington a découvert qu’en empilant une feuille de graphène sur du graphite en vrac avec un petit angle de torsion (en haut), les propriétés « exotiques » présentes à l’interface graphène-graphite (en jaune) peuvent s’infiltrer dans le graphite lui-même. Crédit : Ellis Thompson
Une étude révolutionnaire de l’université de Washington a montré que le graphite, un matériau 3D, peut être manipulé pour posséder les propriétés de son homologue 2D, le graphène. Cette découverte ouvre la voie à la modification potentielle d’autres matériaux en vrac pour qu’ils présentent des propriétés similaires à celles de la 2D, ce qui pourrait repousser les frontières de l’innovation technologique.
Sommaire
Explorer le potentiel des matériaux 2D
Depuis de nombreuses années, les scientifiques explorent le potentiel des matériaux bidimensionnels, constitués d’une seule couche d’atomes, pour révolutionner divers domaines tels que l’informatique, la communication et l’énergie. Dans ces matériaux, les particules subatomiques telles que les électrons ne peuvent se déplacer qu’en deux dimensions, ce qui entraîne un comportement inhabituel des électrons et des propriétés dites « exotiques ». Ces propriétés comprennent des formes bizarres de magnétisme, de supraconductivité et d’autres comportements collectifs entre les électrons, qui pourraient tous être utiles dans les domaines de l’informatique, de la communication, de l’énergie et d’autres encore.
Traditionnellement, les chercheurs ont supposé que ces propriétés exotiques en 2D n’existaient que dans des feuilles monocouches ou des empilements courts, les versions dites « en vrac » de ces matériaux présentant des comportements différents en raison de leurs structures atomiques complexes en 3D.
Une percée inattendue dans les matériaux 2D
Contrairement à cette hypothèse, une étude révolutionnaire publiée le 19 juillet dans Nature par une équipe dirigée par l’université de Washington a démontré qu’il est possible de conférer au graphite, un matériau 3D en vrac que l’on trouve dans les crayons de tous les jours, des propriétés proches de son homologue 2D, le graphène. Non seulement cette percée était inattendue, mais l’équipe pense également que son approche pourrait être utilisée pour vérifier si des types similaires de matériaux en vrac peuvent également acquérir des propriétés similaires à celles de la 2D. Si c’est le cas, les feuilles 2D ne seront pas la seule source permettant aux scientifiques d’alimenter les révolutions technologiques. Les matériaux 3D en vrac pourraient être tout aussi utiles.
« L’empilement d’une seule couche sur une seule couche – ou de deux couches sur deux couches – est depuis plusieurs années le point de départ de la découverte de nouvelles propriétés physiques dans les matériaux 2D. Dans ces approches expérimentales, c’est là qu’apparaissent de nombreuses propriétés intéressantes », explique l’auteur principal Matthew Yankowitz, professeur adjoint de physique et de science et ingénierie des matériaux à l’Université du Wisconsin. « Mais que se passe-t-il si l’on continue à ajouter des couches ? Il faut bien finir par s’arrêter, n’est-ce pas ? C’est ce que suggère l’intuition. Mais dans ce cas, l’intuition est fausse. Il est possible de mélanger des propriétés 2D dans des matériaux 3D ».
Exploration d’une nouvelle physique dans les matériaux 3D
L’équipe de recherche, composée de chercheurs de l’université d’Osaka et de l’Institut national de la science des matériaux au Japon, a adapté une méthode courante de manipulation des matériaux 2D. Ils ont empilé des feuilles 2D avec un petit angle de torsion. Les chercheurs ont placé une seule couche de graphène sur un mince cristal de graphite en vrac et ont introduit un angle de torsion d’environ 1 degré entre les deux. Ils ont découvert des propriétés électriques nouvelles et inattendues, non seulement à l’interface tordue, mais aussi à l’intérieur du graphite en vrac.
L’angle de torsion est essentiel pour générer ces propriétés, a expliqué Yankowitz, qui est également membre de la faculté de l’UW Clean Energy Institute et de l’UW Institute for Nano-Engineered Systems. Un angle de torsion entre des feuilles 2D, comme deux feuilles de graphène, crée ce que l’on appelle un motif moiré, qui modifie le flux de particules chargées comme les électrons et induit des propriétés exotiques dans le matériau.
Résultats sans précédent et possibilités futures
Lors d’expériences avec du graphite et du graphène, l’angle de torsion a également induit un motif moiré, ce qui a donné des résultats surprenants. Une torsion introduite uniquement à l’interface graphène-graphite a modifié les propriétés électriques de l’ensemble du graphite. Lorsqu’un champ magnétique est appliqué, les électrons situés au cœur du cristal de graphite présentent des propriétés inhabituelles, similaires à celles de l’interface torsadée. En fait, l’interface graphène-graphite torsadée est devenue inextricablement mélangée au reste du graphite en vrac.
« Bien que nous n’ayons généré le motif moiré qu’à la surface du graphite, les propriétés qui en résultaient se répandaient dans l’ensemble du cristal », a déclaré le co-auteur principal, Dacen Waters, chercheur postdoctoral en physique à l’Université de Washington.
Pour les feuilles 2D, les motifs moirés génèrent des propriétés qui pourraient être utiles pour l’informatique quantique et d’autres applications. L’induction de phénomènes similaires dans les matériaux 3D ouvre la voie à de nouvelles approches pour l’étude d’états inhabituels et exotiques de la matière et la manière de les faire sortir du laboratoire et de les intégrer à notre vie quotidienne.
« L’ensemble du cristal adopte cet état 2D », explique Ellis Thompson, coauteur principal et doctorant en physique à l’université de Washington. « Il s’agit d’une manière fondamentalement nouvelle d’affecter le comportement des électrons dans un matériau en vrac.
Yankowitz et son équipe pensent que leur approche consistant à générer un angle de torsion entre le graphène et un cristal de graphite en vrac pourrait être utilisée pour créer des hybrides 2D-3D de ses matériaux apparentés, notamment le ditelluride de tungstène et le pentatelluride de zirconium. Cela pourrait déboucher sur une nouvelle approche de la réingénierie des propriétés des matériaux conventionnels en vrac à l’aide d’une seule interface 2D.
« Cette méthode pourrait devenir un terrain de jeu très riche pour l’étude de nouveaux phénomènes physiques passionnants dans des matériaux aux propriétés mixtes 2D et 3D », a déclaré M. Yankowitz.
Référence : « Mixed-dimensional moire systems of twisted graphitic thin films » 19 juillet 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06290-3
Les co-auteurs de l’article sont Esmeralda Arreguin-Martinez, étudiante diplômée de l’UW, et Yafei Ren, chercheur postdoctoral de l’UW, tous deux du département de science et d’ingénierie des matériaux ; Ting Cao, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux de l’UW ; Di Xiao, professeur de physique et président de science et d’ingénierie des matériaux de l’UW ; Manato Fujimoto de l’université d’Osaka ; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national pour la science des matériaux au Japon. La recherche a été financée par la National Science Foundation, le ministère américain de l’énergie, l’UW Clean Energy Institute, le Bureau du directeur du renseignement national, l’Agence japonaise pour la science et la technologie, la Société japonaise pour la promotion de la science, le ministère japonais de l’éducation, de la culture, des sports, de la science et de la technologie, et le M.J. Murdock Charitable Trust.
Numéros de subvention :
- National Science Foundation : DMR-2041972, MRSEC-1719797, DGE-2140004
- Département de l’énergie des États-Unis : DE-SC0019443
- Agence japonaise pour la science et la technologie : JPMJCR20T3
- Société japonaise pour la promotion de la science : JP21J10775, JP23KJ0339, 19H05790, 20H00354 et 21H05233
- Ministère japonais de l’éducation, de la culture, des sports, de la science et de la technologie : JPMXP0112101001