Les scientifiques des matériaux enseignent aux nanofils comment « danser »

Le microscope électronique à ultra-vide niché dans un laboratoire dans une allée quelconque au rez-de-chaussée du centre de recherche IBM Thomas J Watson (lui-même niché dans les bois du comté de Westchester, NY) contient de nombreux indices qui aident les scientifiques à débloquer la physique qui se déroule à des dimensions nanométriques. Comprendre comment les matériaux se comportent à de si petites tailles ouvre l'imagination de la communauté scientifique pour les futurs nouveaux appareils électroniques. Le microscope électronique fonctionne un peu comme une ferme, mais au lieu de cultiver votre légume préféré, les objets qui poussent sont des nanofils :des cristaux extrêmement étroits mais longs faits de matériaux semi-conducteurs, chacun avec ses propres propriétés électroniques particulières.

La croissance commence avec de minuscules "graines", constituées de gouttelettes de métal catalytique, que les scientifiques saupoudrent sur un "champ" plat de silicium. Lorsque les bons ingrédients sont fournis – chaleur et gaz spéciaux – chaque graine commence à faire pousser un nanofil. Mais contrairement à une vraie ferme, où la croissance commence sous terre, ici les gouttelettes de graines restent aux extrémités de leurs nanofils, garantissant que la croissance ne se produit qu'aux extrémités. Le résultat est une forêt de cristaux longs et étroits qui poussent droit vers le haut. Dans une nouvelle tournure d'expérimentation, l'équipe a montré que lorsqu'elles allument un champ électrique, les gouttelettes peuvent être tirées latéralement ou étirées verticalement. Ce petit mouvement de "danse" ou "d'étirement" force les cristaux en croissance à changer de direction en réponse. Le contrôle par champ électrique de la croissance des nanofils est une nouvelle frontière, ouvrant les portes pour construire des nanostructures personnalisées qui peuvent être intégrées dans de nouveaux types d'appareils électroniques.

Les scientifiques d'IBM, dirigés par le Dr Frances Ross, en collaboration avec l'Université de Cambridge, l'Université de Pennsylvanie et l'Université technique du Danemark, ont publié leurs résultats, « Contrôler la croissance des nanofils grâce à la déformation électrique induite par le champ de la gouttelette de catalyseur » dans le dernier numéro de Communications sur la nature cette semaine (DOI :10.1038/NCOMMS12271).

Pour contrôler l'élégant processus à médiation par gouttelettes qui fait croître les nanofils, l'équipe a déjà essayé de nombreuses astuces simples :changer la température, la pression, le mélange de gaz et les matériaux catalytiques pendant la croissance. « Ce que nous voulions faire ici, c'était essayer de tourner un nouveau bouton pour voir quel type de structure nous obtiendrions. Le bouton que nous avons ajouté est un champ électrique que nous avons créé en appliquant une tension à l'échantillon pendant la croissance. Lorsque nous avons allumé et éteint le champ, nous pouvions voir chaque gouttelette se déformer et la croissance des nanofils changer ensuite pour la suivre », a déclaré Ross, scientifique des matériaux, IBM Research.

C'est la raison pour laquelle l'équipe a réalisé ses expériences de croissance au microscope :elle a pu voir immédiatement les nanofils bouger lors de l'activation du champ électrique. Le microscope agrandit le nanofil en croissance de 50 000 fois et enregistre 30 images par seconde, fournissant de nombreuses données à analyser.

"Les champs électriques semblaient valoir la peine d'être essayés car nous savions que les gouttelettes de catalyseur se comporteraient comme n'importe quel autre métal dans un champ électrique et seraient tirées dans la direction du champ", a déclaré Ross. "Ce qui était particulièrement intrigant dans ces expériences, c'est la façon dont la position modifiée de la gouttelette affectait la façon dont la croissance avait lieu à la pointe du nanofil."

Un sous-produit intéressant de la recherche était de pouvoir mesurer la tension superficielle de la gouttelette liquide. La tension superficielle est la peau qui maintient les gouttelettes, telles que les gouttelettes d'eau sur le verre, dans leurs formes sphériques. Une valeur précise de la tension superficielle est une exigence fondamentale pour le développement de modèles informatiques permettant de prédire la croissance des nanofils.

« Nous sommes toujours à la recherche de la meilleure façon de faire pousser des cristaux aux propriétés particulières. Nous savons ce que nous pouvons obtenir en changeant la température ou la pression :des nanofils intéressants, utiles, mais toujours en croissance verticale. Avec le champ électrique, nous avons enfin un moyen de forcer un fil à se développer latéralement ou selon un angle, afin que nous puissions former une structure tridimensionnelle », a ajouté Ross.

Applications pour les nanofils « dansants »

Les appareils électroniques modernes utilisent un portefeuille toujours croissant de matériaux dans le but d'améliorer la puissance de calcul et la capacité de données, et de mettre en œuvre de nouvelles fonctionnalités. Les nanofils coudés ou coudés pourraient élargir le répertoire des matériaux, surtout s'ils peuvent être fabriqués de manière fiable. Ils pourraient être utiles en tant qu'interconnexions, lorsqu'un appareil a besoin d'une connexion électrique entre différents composants d'un circuit. Ils peuvent permettre de nouveaux types de capteurs IoT ou être utilisés comme sondes. Par exemple, une sonde en forme de V pourrait être enfoncée dans une cellule vivante pour surveiller les minuscules signaux électriques d'une cellule. D'autres nanofils en forme de lettres « T » ou « X » ont également des applications intéressantes. Placer ces « lettres » dans un champ magnétique et mesurer le flux de courant en appliquant des tensions à différentes jambes peut aider à tester les théories fondamentales de la physique. Ces théories sont absconses, car elles régissent le comportement d'excitations particulières dans les matériaux semi-conducteurs. Mais ils seront peut-être aussi pertinents dans la pratique :les excitations peuvent fournir les moyens de stocker des informations dans les ordinateurs quantiques d'une manière qui évite certaines des limitations des conceptions actuelles. Des nanofils cultivés en dansant et en étirant des gouttelettes peuvent être la première étape sur cette voie.

Le microscope électronique à ultra-vide à 360 degrés