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Sculpter des atomes avec la microscopie électronique - Par : Luis Felipe Gerlein Reyes,

Sculpter des atomes avec la microscopie électronique


Luis Felipe Gerlein Reyes
Luis Felipe Gerlein Reyes Profil de l'auteur(e)
Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.
Programme : Génie électrique 

Les scientifiques de l’Institut pour l’imagerie fonctionnelle des matériaux du laboratoire Oak Ridge National (ORNL) au Tennessee, Etats-Unis ont constaté un comportement fort intéressant : les films oxydés amorphes métastables peuvent être transformés en une phase cristalline en utilisant un microscope à balayage par transmission (STEM). Il est possible de contrôler ce changement dans des zones ciblées, comme si les atomes de ces structures cristallines étaient sculptés pour obtenir une forme souhaitée.

Ce type de microscope focalise un faisceau d’électrons, qui traverse l’échantillon et effectue un balayage par trames de sa surface. Il cible en premier un faisceau d’électrons sur une partie mince de l’échantillon et reconstruit l’image à partir des interactions entre le faisceau d’électrons et cette partie ciblée.

Les chercheurs ont réalisé que les nano structures de titanate de strontium [1] (SrTiO3) peuvent être cultivées par épitaxie en utilisant le même équipement qui permet de les analyser. L’importance de ce mécanisme de croissance sélective repose sur l’utilisation d’un faisceau d’électrons provenant du microscope pour contrôler à l’échelle atomique la transition d’une phase amorphe à une phase cristalline précisément à l’interface entre ces deux phases.

Figure 1. (a) La surface en pointillé bleu – vert représente la phase SrTiO3 cristalline. La zone sombre est le même matériau dans un état amorphe. Une fois que le faisceau électronique commence à se déplacer de gauche à droite le processus de cristallisation a lieu, comme indiqué dans les figures (b) et (c).

Imaginez que vous avez assemblé une forme quelconque avec une série de briques Lego et qu’au sommet des briques de votre forme repose un tas de briques en vrac non assemblées. À l’interface des briques en vrac et des briques assemblées,  les briques en vrac en contact physique avec celles assemblées vont commencer à se mettre en place, avec un peu d’aide extérieure, suivant le même schéma que la forme que vous aviez préalablement assemblée. Répétez cette opération plusieurs fois et finalement, couche par couche, toutes vos briques en vrac disponibles seront placées dans une forme organisée (les briques Lego seront vos atomes et votre construction de briques, la structure cristalline composée d’atomes).

Habituellement, réorganiser des structures cristallines après qu’elles aient été désorganisées se fait en utilisant une technique appelée recuit thermique (thermal annealing). La structure entière est chauffée permettant aux atomes de prendre la meilleure position qu’ils peuvent trouver, bien que ce processus ne permette pas de chauffage sélectif de petites zones (de taille nanométrique). Avec cette nouvelle découverte, le processus de réorganisation peut être fait à l’échelle nanométrique et être sélectif du point de vue atomique et spatial. Cela signifie que ce processus permet de choisir quel groupe d’atomes se joindra à la structure cristalline du substrat et quels autres n’y seront pas. C’est comme sculpter des atomes en 3D.

Les implications de cette découverte sont grandes. Vous pourriez concevoir des composantes avec différentes propriétés mécaniques et électriques et ces écarts pourraient être très localisés dans la structure. En fait, la limite est fixée par la capacité à concentrer de plus en plus le faisceau d’électrons du microscope à balayage par transmission. Si cette technique fonctionnait pour différents matériaux, elle pourrait représenter une manière très sélective de construire des puces électroniques. Une autre application concerne l’étude des propriétés dépendantes de l’épaisseur des matériaux. Des études peuvent être effectuées en utilisant le même échantillon à plusieurs reprises, en ajoutant des couches de matériau à chaque fois. En revanche, il ne sera pas nécessaire de disposer de plusieurs échantillons avec des épaisseurs différentes pour analyser leurs propriétés.

Crystallinity studied at different points of the grown structure.

Figure 2. Ici, il est possible d’apprécier comment, dans les domaines sélectionnés de la figure (A) représentés ci-dessous, les atomes suivent la même organisation que le substrat.

Enfin, les auteurs de l’article soulignent comment cette technique facilitera l’analyse in-situ « expérimentale » des phénomènes en question, tels que la cristallisation, la ségrégation et les processus de diffusion au niveau atomique.

Cette publication peut être trouvée en cliquant sur ce lien.

[1] Pour plus d’informations concernant les propriétés électriques du titanate de strontium, nous vous suggérons de lire le chapitre 2 de cette thèse.

 

 

 

Luis Felipe Gerlein Reyes

Profil de l'auteur(e)

Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.

Programme : Génie électrique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et composants optoélectroniques hybrides 

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