Le Stanène, le nouveau cousin du Graphène

Les physiciens ont créé le Stanène, une couche 2D avec des atomes d’étain. Il forme une structure en nid d’abeille sur une surface de tellurure. C’est une nouvelle révolution, mais sa conductivité électrique reste encore à démontrer.

Il y a 2 ans, les physiciens avaient prédit que l’étain pourrait produire une maille avec une épaisseur d’un seul atome. Aujourd’hui, les chercheurs ont créé ce film en étain qu’ils ont appelé le Stanène. Leurs travaux viennent d’être publiés dans Nature Materials. Mais les chercheurs n’ont pas encore pu confirmer si le Stanène possède des propriétés électroniques exotiques qui suscitent l’excitation chez les théoriciens. L’une de ces théories est qu’un matériau comme le Stanène pourrait conduire l’électricité sans générer de la chaleur.

Le Stanène peut conduire l’électricité sans perdre de l’énergie ou dégager de la chaleur

Le Stanène (du latin Stannum qui signifie étain qui nous donne son symbole chimique Sn) est le nouveau cousin du graphène. Le graphène est une structure en nid d’abeille composé d’atomes de carbone qui a déjà fait l’objet de centaines d’études liées aux matériaux en 2D. On peut citer le silicène qui est composé d’atomes de silicium, le phosphorène qui est composé de phosphore, le germanène qui est composé de germanium. On a également des couches qui combinent plusieurs éléments chimiques qu’on connait comme des super-matériaux qui peuvent découper le graphène.

De nombreuses couches de ces nouveaux matériaux possèdent une excellente conductivité électrique, mais le Stanène est vraiment spécial. Dans une température ambiante, les électrons pourraient traverser le long des bords de la maille sans heurter les autres électrons et atomes comme c’est le cas avec d’autres matériaux. Et cette capacité unique permettrait au Stanène de conduire l’électricité sans perdre de l’énergie ou dégager de la chaleur. Ces prévisions ont été faites par Shou-Cheng Zhang en 2013 et il est l’un des auteurs de cette nouvelle étude et physicien à l’université de Stanford. Cela signifie que le stanène serait idéal pour les circuits électriques selon Peide Ye, un physicien et ingénieur en électricité de la Purdue University en Indiana. Le Stanène n’est pas juste un exploit scientifique, mais il possède des applications pratiques pour de nombreux appareils.

Le Stanène pourrait être un isolant topologique dans lequel les charges (les électrons) ne pourraient pas traverser au centre du matériau, mais qui pourraient se déplacer librement sur ses bords. Et leur direction se basera sur leur point de rotation qui peut être en haut ou en bas. Le point de rotation est une propriété quantique. Le courant électrique ne se dissipe pas parce que la plupart des impuretés n’affectent pas la rotation et donc, elles ne peuvent pas ralentir les électrons selon Zhang.

Les interférences de la surface

Mais après avoir conçu le Stanène, Zhang et ses collègues en Chine n’ont pas été capables de confirmer que ce matériau est un isolant topologique. Ils ont créé la structure en vaporisant de l’étain dans un contenant sous vide et en permettant aux atomes de glisser sur une surface de tellurure. Même si cette surface a permis de produire des cristaux de Stanène, elle crée aussi une interaction avec le Stanène ce qui ne permet pas la création d’un isolant topologique. Mais les chercheurs travaillent sur d’autres surfaces pour éviter ces interférences.

Ralph Claessen, un physicien de l’University of Würzburg en Allemagne, a déclaré que ce n’est pas encore confirmé que les chercheurs ont créé le Stanène. Les théories prédisent que des mailles 2D à base d’étain doivent former une structure voilée en nid d’abeille. Dans cette structure, les atomes alternatifs doivent former des arêtes ondulées. Mais Zhang et son équipe ne peuvent voir que la partie supérieure des arêtes. Zhang est confiant que c’est bien du Stanène, car les distances entre les arêtes correspondent aux prévisions. Claessen estime qu’il faut mesurer la structure de la maille avec la diffraction par rayon X pour confirmer le Stanène. Mais d’autres scientifiques sont confiants que c’est vraiment du Stanène. Yuanbo Zhang, un physicien de la Fudan University à Shanghai estime que ces travaux sont des pas de géant dans l’univers des matériaux en 2D. Et Guy Le Lay, un physicien de l’université d’Aix-Marseilles en France qui a été l’un des premiers à produire le silicène et le germanène, est tout aussi optimiste. C’est comme aller sur la lune. La première étape est toujours la plus cruciale.

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