Génie Physique

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Entrevue avec Matthieu Fortin-Deschênes : Quand l’antimonène rivalise avec le graphène

28 août 2017


QUAND L’ANTIMONÈNE RIVALISE AVEC LE GRAPHÈNE

 

Début XXIe siècle, le graphène, mot inconnu du grand public, sort des murs d’un laboratoire de recherche anglais. Il fait partie des matériaux bidimensionnels (2D), une nouvelle classe de matériaux quantiques autrefois seulement théorisée par les scientifiques. Son isolation a ouvert une brèche pour les scientifiques, en raison de l’importance technologique qui leur est conférée (introduction dans des dispositifs de pointe en nano-électronique, photonique intégrée, information quantique et énergies renouvelables). Problème : leur impact technologique se fait attendre, limité par plusieurs facteurs propres aux matériaux pour l’électronique (voir encadré).

L'équipe du professeur Oussama Moutanabbir a relevé le défi de créer un nouveau membre de matériaux 2D, l’antimonène (à base d’antimoine), qui n’a rien à envier au graphène.
 

1. MATTHIEU, C’EST TOI QUI NOUS PARLES DE CET ARTICLE AUJOURD’HUI…. PEUX-TU NOUS FAIRE LE PORTRAIT DE L’ÉQUIPE DERRIÈRE CET ARTICLE, SON HISTOIRE.

Le concept original a été élaboré avec mon directeur de recherche le professeur Oussama Moutanabbir. Une fois les idées de base claires, je me suis occupé de la réalisation de tous les travaux expérimentaux et théoriques. Mes travaux ont bénéficié grandement de la disponibilité d’un équipement unique de croissance et d’observation en temps réel des couches atomiques (NDLR le microscope électronique à faible énergie, Low Energy Electron Microscopy, LEEM). Pour maintenir un tel équipement et préparer le système pour la synthèse de l’antimonène j’ai eu du soutien principalement d’une chercheure postdoctorale Olga Waller. Pour finir, afin d’améliorer notre compréhension de ce nouveau matériau, j’ai réalisé des analyses en Italie au Synchrotron de Trieste Elettra. L’équipe à Elettra m’a beaucoup aidé lors de ces mesures, qui ont duré une semaine.
 

À l'origine: le graphène
1947: le graphène est théorisé par P.R. Wallace
2004: le matériaux est isolé pour la première fois en monocouche par Sir Andre Geim et Sir Kostya Novoselov
2010: prix Nobel de physique pour son isolation

2. QUEL EST LE CONTEXTE DE TA RECHERCHE?

Les dispositifs de pointe (transistors, lasers, diodes électroluminescentes, cellules solaires) que nous utilisons aujourd’hui tirent leur existence de notre compréhension de la mécanique quantique et de la physique des semi-conducteurs. L’essor de l’électronique est rendu possible grâce au développement, dans les dernières décennies, d’infrastructures de fabrication de nouvelles technologies à base de semi-conducteurs. Ce développement a nécessité des investissements majeurs de l’ordre de plusieurs milliards de dollars par installation. Mais ce progrès a imposé un critère important pour qu’un nouveau matériau puisse faire le saut de la recherche fondamentale aux applications technologiques (comme l’antimonène). En effet, il faut que son procédé d’intégration soit compatible avec cette infrastructure de fabrication.

Relever ce défi, un atome à la fois
Les facteurs qui empêchent l’exploitation du graphène en technologie sont: l'absence d’une bande interdite électronique non-nulle et de procédés de synthèse à grande échelle. L'approche de l'équipe de Polytechnique Montréal fut de développer de nouveaux matériaux 2D à base des éléments de la colonne V du tableau périodique (une première) et de les intégrer sur des substrats compatibles avec les exigences technologiques. Cette découverte a permis de faire un grand pas vers l’application industrielle tant attendue et ce, à plus grande échelle.

3. COMMENT AS-TU COMMENCÉ TON TRAVAIL? QUEL EST L’OBJET DE CET ARTICLE?

Je me suis donc intéressé à évaluer la possibilité de faire croître l’antimonène sur un substrat qui répond aux exigences technologiques tel que le silicium ou le germanium. J’ai commencé mes recherches en effectuant des études théoriques détaillées basées sur les calculs DFT pour évaluer la nature de l’interaction des atomes Sb avec différentes surfaces. Ces calculs m’ont indiqué que le germanium présentait la meilleure surface pour réaliser la croissance de l’antimonène (par une technique appelée épitaxie). Ensuite, j’ai attaqué la partie expérimentale afin de prouver que l’antimonène pouvait être produit sur le germanium. Mes prédictions étaient correctes et j’ai obtenue l’antimonène en monocouche bidimensionnelle!
 

4. QUELLE PROBLÉMATIQUE AS-TU RÉSOLUE À CE PROPOS? QUEL EST L’IMPACT DE TON PAPIER?

Nous avons montré qu’il était possible de synthétiser de l’antimonène de bonne qualité, sur un substrat semi-conducteur (le germanium) de façon minimalement contrôlée. Le germanium est très utilisé en électronique, en opto-électronique et en énergie solaire. C’est là tout son intérêt, car notre article ouvre la voie à une meilleure exploitation du potentiel technologique de l’antimonène. Le domaine des matériaux monocouches est récent (une dizaine d’années), en pleine expansion et très prometteur. En d’autres mots, nous avons démocratisé la fabrication et l’application des monocouches d’antimonène.
 

5. QU’AVEZ-VOUS FAIT DANS VOTRE LABORATOIRE?

À l’aide de l’épitaxie par jet moléculaire (Molecular Beam Epitaxy, MBE), nous avons envoyé des atomes d’antimoine sur du germanium. Puis, nous avons suivi la croissance de la monocouche en temps réel avec la microscopie électronique à faible énergie (LEEM). Aussi, nous avons étudié la stabilité et les propriétés électroniques du produit avec des calculs ab initio. Le processus de croissance est de l’ordre de quelques secondes à quelques heures pour le matériau complet, mais nous pouvons ajuster le nombre d’atomes envoyés par secondes afin d’avoir la meilleure croissance. Préparer le germanium a été le plus long. Si la base est mauvaise, la croissance le sera aussi; alors on a mis toutes nos chances de notre côté.
 

6. QUELLE TECHNIQUE AS-TU UTILISÉE SANS LAQUELLE TU N’AURAIS PU FAIRE L’ARTICLE?

Le LEEM! Avoir la cinétique de croissance et des informations sur la structure cristalline des matériaux (comme l’espacement entre les atomes et la symétrie du cristal) était critique. Le microscope à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscopy, STM ) m’a aussi permis d’évaluer la structure à l’échelle atomique des couches obtenues. La combinaison de ces deux techniques reste unique et nous donne un grand avantage par rapport aux autres équipes de recherche.
 

7. À QUOI DEVAIS-TU FAIRE LE PLUS ATTENTION DANS CETTE RECHERCHE?

Les conditions de croissance, plus particulièrement l’atmosphère contrôlée quand on devait l’utiliser. La température l’était aussi d’ailleurs. Le moindre changement affectait le résultat final.
 

8. QUELLE EST LA SUITE DES CHOSES?

En plus d’améliorer notre technique, je veux en savoir un peu plus sur ce qui se passe sous mes yeux, lors de la formation matériau et comprendre les mécanismes impliqués. Aussi, j’aimerais étudier ses propriétés, qui sont pour le moment inconnues, pour un jour pouvoir utiliser ce matériau l’utiliser de manière optimale, pour des applications en nano-électronique par exemple. Mon résultat ouvre aussi de nouvelles opportunités pour d’autres membres de notre groupe à Polytechnique Montréal qui se pencheront sur l’exploitation de l’antimonène dans des dispositifs quantiques et biotechnologiques!
 

9. EST-CE L’ARTICLE QUI RASSEMBLE LE PLUS TON TRAVAIL JUSQU’À PRÉSENT?

Cet article n’est pas le premier que je publie depuis que j’ai commencé mes études, mais c’est le premier fait dans le cadre de mon doctorat. En arriver jusque-là a été demandant, mais le processus de publication s’est plutôt fait de manière fluide. Je suis très fier de voir mon travail accepté dans ce journal (NDLR NanoLetters). De plus, ma semaine en Italie se devait être bien planifiée. Je n'avais qu’une semaine, pas le droit à l’erreur. Première fois aussi que je voyais une installation de type synchrotron!
 

10. QUEL EST LE RÉSULTAT QUI T’A DONNÉ LE PLUS DE FIL À RETORDRE OU DONT TU ES LE PLUS FIER?

Ceux publiés en figure 3. Je devais entre autres obtenir une image de bonne qualité avec une technique de balayage qui était à la fois puissante (l’appareil photo est comme une aiguille) mais aléatoire (on travaille à une échelle suffisamment petite pour voir des atomes et une structure de l’ordre du nanomètre).
 

11. UN CONSEIL QUE TU DONNERAIS À MATTHIEU QUI COMMENCE À TRAVAILLER POUR SON PREMIER ARTICLE

De ne pas trop se concentrer sur le négatif, d’être patient. La recherche se réalise petit à petit et même les problèmes sont des avancées.
 

12. QUEL EST L’IMPACT DE CE PAPIER DANS TA CARRIÈRE - EN CONSTRUCTION?

J’espère poursuivre une carrière en milieu académique. Une première étape est faite après la publication de ce premier article au doctorat. La suite est en cours depuis quelque temps déjà. J’espère publier de nouveaux résultats d’ici peu pour me consacrer ensuite à un autre volet plus approfondi. La concurrence dans le domaine nous apprend aussi à être réactifs et innovants dans nos recherches. Obtenir des résultats excitants m’a aussi permis de participer à plusieurs conférences internationales. Ces évènements sont toujours une excellente occasion pour rencontrer des chercheurs de différents pays et d’échanger des idées avec eux.
 

13. Le Mot de la fin?

L’histoire de l’antimoine est remplie d’anecdotes très peu flatteuses. Cet élément a été associé au charlatanisme et à la folie - certains lui attribuent la mort de Mozart. Mon travail ouvre une nouvelle page pour l’antimoine que je souhaite plus glorieuse.