Hétérostructures de van der Waals à structure de bandes ajustée à base de matériaux 2D – 2D-ON-DEMAND

Les matériaux 2D et plus particulièrement les monocouches de dichalocogénures de métaux de transition (TMDCs), peuvent être combinés entre eux pour former des hétérostructures de van der Waals offrant une flexibilité sans précédent pour la conception de nouveaux matériaux aux propriétés ajustables. Cette possibilité rare de façonner à la demande les propriétés de ces hétérostructures est un atout unique pour les futures applications en électronique, en optoélectronique et pour la conversion d'énergie.
Dans ce contexte, le projet 2D-ON-DEMAND cible le design, l'élaboration et la caractérisation avancée de nouvelles hétérostructures basées principalement sur les dichalocogénures de métaux de transition et destinées à des applications bien identifiées en optoélectronique et dans le domaine de l'énergie. Nos objectifs spécifiques sont ainsi: (1) de développer la synthèse de matériaux 2D (MoSe2, MoTe2, WSe2, SnS2…) par des méthodes d'épitaxie par jet moléculaire (MBE), de dépôt en phase vapeur (VPT/CVD) et d'implantation ionique au meilleur niveau et de combiner ces matériaux en hétérostructures latérales et verticales; (2) d'étudier expérimentalement les propriétés électroniques, optiques et catalytiques fondamentales des matériaux individuels et de leur combinaison par des techniques avancées (incluant notamment TEM haute-résolution, spectroscopies utilisant le rayonnement synchrotron et mesures optoélectroniques pointues); (3) de développer des approches théoriques en support de la sélection des matériaux et pour l’analyse de leurs propriétés optiques et de transport; (4) de réaliser et d'évaluer des preuves de concept d'absorbants saturables pour des lasers MLLs, de photo-détecteurs RF infrarouge opérant à 1.55 µm, de transistors tunnels à pente sous-le-seuil optimale (inférieure à la limite de 60 mv/décade des MOSFETs classiques) et de dispositifs photo-catalytiques de production d'hydrogène.
Un aspect central du projet réside dans la combinaison des techniques de synthèse (MBE, CVD, implantation ionique) associée à la flexibilité du design des hétérostructures (latérales et verticales). Cette stratégie lève les verrous des approches basées sur une seule technique de synthèse et permet de cibler des matériaux aux propriétés adaptées aux enjeux des dispositifs. Pour leur potentiel applicatif, nous focaliserons nos efforts sur les hétérostructures de type-III et de type-II à faible gap.
2D-ON-DEMAND est un projet de 48 mois qui réunit 5 équipes (4 partenaires): 3 équipes de laboratoires académiques (2 du C2N, une du LPICM), 1 équipe d'un laboratoire institutionnel (CEA-LICSEN) et 1 équipe d'un laboratoire industriel (Thales Research & Technology). Le projet est coordonné par Vincent Derycke (CEA). Le montant de l'aide demandée pour les 5 équipes est de 737 k€.
Grâce à sa complémentarité en termes de méthodes de synthèse, son savoir-faire bien établi au niveau expérimental, son accès à des équipements de premier plan, son expertise reconnue au niveau théorique et sa capacité à réussir la transition des matériaux aux dispositifs, le consortium est en position idéale pour apporter au domaine des contributions déterminantes, tant sur le plan fondamental qu'appliqué.
2D-ON-DEMAND étant un projet PRCE, nous serons très ambitieux sur les aspects de transferts technologiques et de propriété intellectuelle. Tous les résultats seront évalués par le consortium pour anticiper leur potentiel économique à court et long termes, notamment en lien avec la roadmap de l'industriel et les stratégies de transfert des autres partenaires. Au niveau fondamental, la production de connaissances aux meilleurs standards internationaux constituera un objectif tout aussi central. Le domaine des hétérostructures de matériaux 2D est exceptionnellement prometteur et se situe au carrefour de la physique fondamentale, de la chimie et de l'ingénierie des dispositifs. Nous viserons ainsi plusieurs publications dans des journaux à très fort impact.