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6 juin
2015 |
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Le phosphore noir,
semi-conducteur du futur |
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En réussissant à prévenir l'oxydation
des couches ultrafines de phosphore noir, les chercheurs ont ouvert
la voie à un nouveau type d'électronique, à la fois plus performante
et meilleur marché.
Phosphore vient du mot grec phosphoros, et signifie littéralement
"porteur de lumière". Il a été obtenu pour la première fois par
l'alchimiste allemand Hennig Brandt en 1669 par évaporation, puis
sédimentation de l'urine, traitement à haute température puis
récupération des vapeurs émise dans l'eau. Il s'agissait du premier
élément isolé depuis l'Antiquité, une étape que bien des
scientifiques considèrent comme le point de départ de la chimie
moderne. Il s'agissait alors de phosphore blanc, qui a la propriété
de luire dans l'obscurité, d'où son nom.
Le phosphore dit "élémentaire" peut exister sous formes amorphes ou
cristallines : on parle alors de variétés allotropiques du
phosphore. Les plus communes sont le phosphore blanc et le phosphore
rouge solides. Il existe également des variétés violet et noir,
toujours sous forme solide. Le phosphore gazeux existe sous la forme
de diphosphore et de phosphore atomique. Précisons aussi qu'il
s'agit d'un élément primordial de la vie sur Terre, car ARN, ADN,
ATP et membranes cellulaires en contiennent.
Le phosphore noir : futur acteur de premier plan dans les
nouvelles technologies
Le phosphore noir, la variété allotropique qui nous intéresse,
présente une structure lamellaire semblable à celle du graphite, et
intéresse de plus en plus les physiciens ainsi que tous les
chercheurs en matériaux nouveaux. En effet, il est possible
d'obtenir à partir de celui-ci des couches ultraminces,
monoatomiques, nommées phosphane 2D.
Voisin du graphène dont il possède certaines caractéristiques, le
phosphane 2D allie surtout deux propriétés très convoitées. Mais
pour cela, il était nécessaire d'empêcher l'oxydation des couches
monoatomiques de phosphane 2D afin de préserver ses propriétés de
surface, et c'est justement ce que vient de réaliser une équipe de
chercheurs de l'Université de Montréal, de Polytechnique Montréal et
du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) de France,
ouvrant ainsi la voie à l'exploitation de leurs étonnantes
propriétés en vue de la conception de nombreux dispositifs
optoélectroniques.
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Echantillon de
phosphore noir, ou phosphane 2D. Crédit : Université de Montréal. |
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Les étonnantes propriétés du
phosphane 2D
D'une part, le phosphane 2D est un matériau semi-conducteur offrant
les caractéristiques nécessaires pour réaliser des transistors et
des processeurs. Cen'est pas nouveau, mais sa fabrication aisée
incite les chercheurs à penser que le phosphane 2D pourrait être à
la base d'une électronique à la fois performante et bon marché.
Mais surtout, ce nouveau matériau possède une deuxième
caractéristique encore plus distinctive : son interaction avec la
lumière dépend strictement du nombre de monocouches atomiques
impliquées; une monocouche émettra de la lumière rouge alors qu'un
échantillon plus épais émettra dans l'infrarouge. Cette variation
permet de fabriquer une large gamme de dispositifs
optoélectroniques, comme des lasers ou des détecteurs, dans une
fraction stratégique du spectre électromagnétique.
Un obstacle essentiel enfin franchi
L'étude des propriétés du phosphane 2D était freinée jusqu'à ce jour
par un problème : en conditions ambiantes, les couches de ce
matériau s'oxydent et se dégradent, au point de compromettre son
avenir dans l'industrie malgré son potentiel prometteur.
C'est donc une avancée marquante qu'a réussie cette équipe de
chercheurs en parvenant à déterminer les mécanismes physiques en jeu
dans cette dégradation et à identifier les éléments-clés induisant
l'oxydation des couches. "Nous avons démontré que le phosphane
subit une oxydation dans des conditions ambiantes, provoquée
conjointement par la présence d'oxygène, d'eau et de lumière. Nous
avons aussi caractérisé l'évolution dans le temps de ce phénomène en
utilisant la spectroscopie par faisceau d'électrons ainsi que la
spectroscopie Raman", rapporte le Pr Richard Martel du
Département de chimie de l'Université de Montréal.
Par la suite, les chercheurs ont mis au point une procédure efficace
pour produire et préserver intactes ces monocouches très fragiles. "Nous
avons pu ainsi étudier les modes de vibrations des atomes dans ce
nouveau matériau. Comme les études précédentes avaient été réalisées
sur des matériaux fortement dégradés, nous avons révélé des effets
jusqu'alors insoupçonnés du confinement quantique sur les modes de
vibrations des atomes", indique le Pr Sébastien Francoeur du
Département de génie physique de Polytechnique Montréal.
Les résultats de cette étude vont aider la communauté scientifique
mondiale à exploiter les propriétés très particulières du phosphane
2D, dans le but de développer de nouvelles nanotechnologies qui
donneront le jour à des microprocesseurs, lasers, cellules solaires,
etc. à hautes performances.
Source principale :
Photooxidation and quantum confinement effects in exfoliated black
phosphorus (Nature Materials). |
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Structure du
phosphore noir. Image Commons. |
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