Des chercheurs utilisant des lasers ultraviolets réalisent une mesure sans précédent des nanomatériaux

Des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder ont utilisé des lasers ultraviolets extrêmes ultra-rapides pour mesurer les propriétés de matériaux plus de 100 fois plus fins qu’un globule rouge humain.

L’équipe, dirigée par des scientifiques de JILA, a rapporté son nouvel exploit de minceur de plaquette cette semaine dans le journal Matériel d’examen physique. La cible du groupe, un film de seulement 5 nanomètres d’épaisseur, est le matériau le plus fin que les chercheurs aient jamais pu sonder complètement, a déclaré le co-auteur de l’étude, Joshua Knobloch.

« Il s’agit d’une étude record pour voir à quel point nous pourrions aller petit et à quel point nous pourrions être précis », a déclaré Knobloch, un étudiant diplômé de JILA, un partenariat entre CU Boulder et le National Institute of Standards and Technology (NIST).

Il a ajouté que lorsque les choses deviennent petites, les règles normales d’ingénierie ne s’appliquent pas toujours. Le groupe a découvert, par exemple, que certains matériaux semblent devenir beaucoup plus mous lorsqu’ils deviennent plus minces.

Les chercheurs espèrent que leurs découvertes pourront un jour aider les scientifiques à mieux naviguer dans le nanomonde souvent imprévisible, en concevant des circuits informatiques, des semi-conducteurs et d’autres technologies plus petits et plus efficaces.

« Si vous faites de la nanoingénierie, vous ne pouvez pas simplement traiter votre matériel comme s’il s’agissait d’un gros matériel normal », a déclaré Travis Frazer, auteur principal du nouveau document et ancien étudiant diplômé de JILA. « En raison du simple fait qu’il est petit, il se comporte comme un matériau différent. »

« Cette découverte surprenante – que les matériaux très minces peuvent être 10 fois plus fragiles que prévu – est encore un autre exemple de la façon dont les nouveaux outils peuvent nous aider à mieux comprendre le nanomonde », a déclaré Margaret Murnane, co-auteur de la nouvelle recherche, professeur de physique à CU Boulder et JILA fellow.

Nano se trémousse

La recherche arrive à un moment où de nombreuses entreprises technologiques essaient de faire exactement cela: aller petit. Certaines entreprises expérimentent des moyens de construire des puces informatiques efficaces qui superposent des couches minces de matière l’une sur l’autre, comme une pâte filo, mais à l’intérieur de votre ordinateur portable.

Le problème avec cette approche, a déclaré Frazer, est que les scientifiques ont du mal à prédire comment ces couches floconneuses se comporteront. Ils sont tout simplement trop délicats pour être mesurés de manière significative avec les outils habituels.

Pour aider à atteindre cet objectif, lui et ses collègues ont déployé des lasers ultraviolets extrêmes, ou des faisceaux de rayonnement qui délivrent des longueurs d’onde plus courtes que les lasers traditionnels – des longueurs d’onde bien adaptées au nanomonde. Les chercheurs ont développé une configuration qui leur permet de faire rebondir ces faisceaux sur des couches de matériau de seulement quelques brins d’ADN épais, en suivant les différentes façons dont ces films peuvent vibrer.

« Si vous pouvez mesurer la vitesse à laquelle votre matériau se trémousse, alors vous pouvez déterminer à quel point il est rigide », a déclaré Frazer.

Perturbation atomique

La méthode a également révélé à quel point les propriétés des matériaux peuvent changer lorsque vous les faites très, très petits.

Dans la plus récente étude, par exemple, les chercheurs ont sondé la résistance relative de deux films en carbure de silicium: l’un d’environ 46 nanomètres d’épaisseur et l’autre de seulement 5 nanomètres d’épaisseur. Le laser ultraviolet de l’équipe a produit des résultats surprenants. Le film plus mince était environ 10 fois plus mou ou moins rigide que son homologue plus épais, ce à quoi les chercheurs ne s’attendaient pas.

Frazer a expliqué que si vous faites un film trop mince, vous pouvez couper les liaisons atomiques qui maintiennent un matériau ensemble, un peu comme démêler une corde effilochée.

« Les atomes en haut du film ont d’autres atomes en dessous qu’ils peuvent conserver », a déclaré Frazer. « Mais au-dessus d’eux, les atomes n’ont rien à saisir. »

Mais tous les matériaux ne se comporteront pas de la même manière, a-t-il ajouté. L’équipe a également reproduit la même expérience sur un deuxième matériau qui était presque identique au premier avec une grande différence – celui-ci avait beaucoup plus d’atomes d’hydrogène ajoutés. Un tel processus de « dopage » peut naturellement perturber les liaisons atomiques au sein d’un matériau, lui faisant perdre de la force.

Lorsque le groupe a testé ce deuxième matériau plus mince à l’aide de leurs lasers, il a trouvé quelque chose de nouveau: ce matériau était tout aussi solide à 44 nanomètres d’épaisseur qu’à une maigre 11 nanomètres d’épaisseur.

Autrement dit, les atomes d’hydrogène supplémentaires avaient déjà affaibli le matériau – un peu de rétrécissement supplémentaire ne pouvait plus faire de dégâts.

En fin de compte, l’équipe affirme que son nouvel outil laser ultraviolet donne aux scientifiques une fenêtre sur un domaine qui était auparavant hors de portée de la science.

« Maintenant que les gens construisent de très, très petits appareils, ils demandent comment des propriétés comme l’épaisseur ou la forme peuvent changer le comportement de leurs matériaux », a déclaré Knobloch. « Cela nous donne une nouvelle façon d’accéder aux informations sur la technologie à l’échelle nanométrique. »