Une table périodique pour les hétérostructures à base de matériaux bidimensionnels

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La variété de semi-conducteurs bidimensionnels est devenue remarquable: alliages de groupes IV ou III-V, éléments du groupe V, dichalcogénures et trichalcogénures de métaux de transition (TMDs et TMTs) en différentes phases et structures cristallines. Grâce aux forces de van der Waals, il est possible de coupler ces matériaux et obtenir un nombre impressionnant d’hétérostructures dont les propriétés, vu la faible interaction entre couches, dépendent largement des matériaux d’origine. En particulier, pour des applications en nanoélectronique et optoélectronique, il est capital de connaitre l’alignement des bandes (type I, II ou III) ainsi que la position, dans la zone de Brillouin, des vallées correspondant aux bandes de conduction et de valence. En particulier, des vallées au point G ont l’avantage de ne pas changer de position en cas de rotation des matériaux, ce qui évite les problèmes de momentum mismatching dans les hétérostructures avec orientation aléatoire entre les couches.

Pour guider la recherche dans une zoologie de matériaux si diversifiée, une exploration à grande échelle par des simulations ab initio est nécessaire avant de passer à la phase expérimentale et à la conception des dispositifs. Des équipes des Universités de Princeton et du Minnesota (États-Unis) et de l’Université de Pékin (Chine) ont simulé un grand nombre de matériaux 2D à l’aide de la théorie de la fonctionnelle densité (code VASP). Leur conclusion est qu’environ la moitié des matériaux considérés a le bord de la bande de conduction/valence au point G de la zone de Brillouin et que les hétérostructures sont surtout de type I pour les alliages de groupes IV ou III-V et de type II pour le groupe V, les TMDs et le TMTs. Les hétérostructures de type III sont plus rares et elles paraissent le plus souvent pour les TMDs et le TMTs. Ces résultats sont résumés dans la table périodique illustrée dans la figure.

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Table périodique des hétérostructures obtenues en couplant les matériaux bidimensionnels notés en marge. Chaque type d’hétérostructure (I, II ou III) est indiqué par une couleur différente. La table présente les résultats obtenus avec deux fonctionnels alternatifs (PBE en dessous de la diagonale, et HSE06 en dessus de la diagonale), avec des conclusions parfois contrastées. A noter que les résultats ont été obtenus à partir de ceux pour les matériaux isolés. Le couplage van der Waals, bien que très faible, pourrait dans certains cas comporter un changement de la structure des bandes, en particulier si les paramètres de maille sont différents pour les deux couches. Extrait avec la permission de Physical Review B 94, 035125 (2016). Copyright American Physical Society 2016.