L'équipe de chercheurs de Jena reçoit le prix de recherche de Thuringe

Les lauréats du Prix de recherche de Thuringe : Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Falk Eilenberger, Dr. Antony George et Dr. Christof Neumann (de gauche à droite) © Nicole Nerger | Université de Jena / Les gagnants du « Prix de recherche de Thuringe » : Prof. Andrey Turchanin, Dr. Falk Eilenberger, Dr. Antony George et Dr. Christof Neumann (de gauche à droite) © Nicole Nerger | Université de Jena

Lorsqu'ils changent de couches atomiques, les matériaux 2D modifient radicalement leurs propriétés. © Nicole Nerger | Université de Jena / En tant que couches atomiques, les matériaux 2D changent radicalement leurs propriétés. © Nicole Nerger | Université de Jena

Le processus développé permet une fabrication compatible avec l'industrie et évolutive de matériaux 2D sur mesure. © Nicole Nerger | Université de Jena / The developed process enables industry-compatible and scalable production of customized 2D materials © Nicole Nerger | Université de Jena

Matériaux 2D © Université de Jena / Matériaux 2D © Université de Jena

Pour la recherche sur les matériaux 2D sur mesure, une équipe de quatre scientifiques de l'Université Friedrich-Schiller de Jena et de l'Institut Fraunhofer pour l'Optique Appliquée et la Mécanique de Précision IOF a été récompensée par le Prix de Recherche de Thuringe. La reconnaissance pour l'excellence scientifique dans la catégorie « Recherche appliquée » a été remise aujourd'hui à l'Université Technique d'Ilmenau lors d'une cérémonie et est dotée de 25 000 euros.

Cent fois plus fins qu’un cheveu, plus solides que l’acier et des médiateurs efficaces entre la lumière et le courant – les matériaux 2D, appelés aussi matériaux bidimensionnels, constituent une classe de matériaux en pleine expansion avec des propriétés uniques et un potentiel d’application considérable.

Pour leurs recherches sur ces matériaux 2D, des chercheurs de l’Université de Jena et de l’IOF Fraunhofer ont été distingués par le Prix de Recherche de Thuringe. La récompense dans la catégorie « Recherche appliquée », dotée de 25 000 euros, a été remise le 18 juin à l’Université Technique d’Ilmenau. Les lauréats – Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Antony George, Dr. Christof Neumann et Dr. Falk Eilenberger (Fraunhofer IOF) – ont développé une série de méthodes innovantes pour fabriquer et exploiter des matériaux 2D sur mesure pour des applications photonique, électronique et optoélectronique.

Une touche de rien

Les matériaux 2D étudiés représentent une nouvelle classe de matériaux constitués d’une seule ou de quelques couches atomiques – une touche de rien. Leur particularité : ils modifient radicalement leurs propriétés par rapport aux matériaux tridimensionnels d’origine. Un matériau nanométrique bien connu est le graphène. Un matériau 2D isolé par dépôt de couches nanométriques de graphite. En version atomique, il est beaucoup plus solide et conducteur que le graphite d’origine, que l’on connaît par exemple dans les crayons classiques.

Au Fraunhofer IOF, Falk Eilenberger, chef du département d’Optique micro- et nanostructurée, a notamment étudié et caractérisé la classe de matériaux apparentés, les dichalcogénures de métaux de transition, ou TMDs. En version tridimensionnelle, les TMDs ne se présentent que comme des semi-conducteurs indirects, ce qui limite leurs possibilités d’application. En tant que matériaux 2D, cependant, ils deviennent des semi-conducteurs directs, capables de convertir efficacement le courant en lumière et vice versa.

Une fabrication à l’échelle ouvre de nouvelles possibilités d’application

Jusqu’à présent, les matériaux 2D étaient obtenus par « délamination » de cristaux tridimensionnels. Comme lors du prélèvement d’empreintes digitales avec du ruban adhésif, on retire morceau par morceau des couches du cristal. Un procédé coûteux et inadapté à l’industrie, qui limitait jusqu’ici les possibilités d’utilisation de ces matériaux.

Les chercheurs de Jena se sont concentrés sur une méthode permettant une fabrication compatible avec l’industrie de matériaux 2D sur mesure. Ils utilisent la technique de dépôt en phase gazeuse, où le cristal croît comme un tapis nanométrique sur une plaque de silicium ou de verre.

« Grâce à cette nouvelle méthode, nous avons pu non seulement produire efficacement ces matériaux 2D, mais aussi les faire croître de manière scalable en tant que composants fonctionnels intégrés dans des composants optiques », explique le Dr Eilenberger. « Ainsi, nous pouvons, entre autres, intégrer des matériaux TMD dans des fibres optiques, ce qui ouvre de nombreuses nouvelles possibilités d’application. »

La plus petite LED du monde probablement

En incorporant des TMD, il est possible de fonctionnaliser des fibres optiques et des puces photonique de manière à ce qu’ils ne se contentent pas de transmettre passivement la lumière, mais la génèrent, la modifient ou la détectent : une plateforme idéale pour réaliser à l’avenir certaines tâches des circuits classiques de manière photonique, avec moins d’énergie. L’équipe de chercheurs a également réussi à faire fonctionner le matériau 2D comme une diode, créant ainsi la plus petite LED du monde probablement.

L’intégration de ces nanomatériaux permet pour la première fois de fabriquer des composants électroniques, photonique et optoélectronique à la fois extrêmement petits et performants. La conversion efficace entre courant et lumière rend ces matériaux 2D intéressants pour des applications dans la transmission de données, la technologie des caméras ou l’éclairage. De plus, ils peuvent être intégrés de manière transparente avec des semi-conducteurs existants, ouvrant de nouvelles voies dans la technologie des semi-conducteurs.

La lumière produite peut également présenter des propriétés quantiques inhabituelles. Elle est ainsi adaptée non seulement au transport classique de données, mais aussi au chiffrement quantique. Les composants optiques dopés au TMD pourront à l’avenir contribuer à la sécurisation quantique des réseaux de communication de données.

Une combinaison unique en Thuringe

Le Dr Eilenberger souligne l’environnement de recherche exceptionnel en Thuringe comme clé du succès du projet : « Nous disposons ici sur place d’une situation unique, qui a largement contribué au succès de notre démarche », dit-il en évoquant la distinction. « En Thuringe, et plus particulièrement à Jena, le savoir-faire en photonique rencontre une excellente infrastructure scientifique – tant sur le plan humain que technique – ainsi que des entreprises audacieuses, prêtes à relever des défis innovants », explique Falk Eilenberger en saluant sa collaboration avec ses collègues Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Antony George et Dr. Christof Neumann de l’Université de Jena.

Depuis 1995, le Prix de Recherche de Thuringe récompense une fois par an l’excellence scientifique des universités et des centres de recherche hors université en Thuringe. Les performances de recherche les plus remarquables d’individus ou de groupes de recherche dans les catégories recherche fondamentale et recherche appliquée sont récompensées par une dotation totale de 25 000 € et par le prix de recherche. La remise du Prix de Recherche de Thuringe a eu lieu le 18 juin 2024 à l’Université Technique d’Ilmenau.