Première scientifique : le phosphore noir livre ses secrets

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Des chercheurs de Poly et de l'UdeM ouvrent la voie à l’exploitation des étonnantes propriétés du phosphore en vue de la conception de nombreux dispositifs optoélectroniques.

Une équipe de chercheurs est parvenue à prévenir l'oxydation des couches bidimensionnelles de phosphore noir. Photo : Alshaer666, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0.

 

Une équipe de chercheurs de l'Université de Montréal, de Polytechnique Montréal et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) de France est la première à être parvenue à prévenir l'oxydation des couches bidimensionnelles de phosphore noir, ouvrant ainsi la voie à l'exploitation de leurs étonnantes propriétés en vue de la conception de nombreux dispositifs optoélectroniques. 

Les résultats de cette étude font l'objet d'une publication dans la prestigieuse revue Nature Materials.

 

Le phosphore noir : futur acteur de premier plan dans les nouvelles technologies

Le phosphore noir, un allotrope stable du phosphore présentant une structure lamellaire similaire à celle du graphite, capte depuis peu l'attention des physiciens et chercheurs en matériaux. En effet, il est possible d'obtenir à partir de celui-ci des couches monoatomiques que les chercheurs nomment le phosphane 2D. Cousin du très médiatisé graphène, le phosphane 2D allie de façon unique deux propriétés très convoitées.

D'une part, le phosphane 2D est un matériau semi-conducteur offrant les caractéristiques nécessaires pour réaliser des transistors et des processeurs. On estime que le phosphane 2D pourrait être à la base d'une électronique à la fois performante et bon marché.

D'autre part, 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.

Une première scientifique : préserver des monocouches du phosphane 2D de la dégradation

L'étude des propriétés du phosphane 2D était freinée jusqu'à ce jour par un problème : en conditions ambiantes, les couches de ce matériau 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.

Ces travaux ont reçu l'appui du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), de la Fondation canadienne pour l'innovation, ainsi que du Fonds de Recherche du Québec-Nature et technologie.

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