Quelle que soit la taille des téléphones portables ou des ordinateurs, le mode de fonctionnement de ces dispositifs électroniques repose sur les interactions entre les matériaux. Pour cette raison, les ingénieurs ainsi que les chercheurs doivent savoir exactement comment se comportent des éléments chimiques spécifiques à l'intérieur d'une puce informatique ou d'une diode à transistor, et que se passe-t-il lorsque ces éléments se lient. Physiciens de l'Université Friedrich Schiller d'Iéna, Allemagne, ont maintenant développé une méthode innovante qui leur permet d'obtenir simultanément plusieurs types d'informations à partir de l'intérieur d'un bloc de construction à l'échelle nanométrique, et ce pendant qu'il est à l'état actif. Les chercheurs d'Iéna et leurs partenaires ont rendu compte de leurs découvertes dans le numéro actuel de la revue spécialisée Avancées scientifiques .

« En utilisant notre méthode, nous pouvons obtenir des informations à la fois sur la composition des éléments, la fraction entre les éléments; sur leur degré d'oxydation, ce qui signifie leur état de valence ou la nature de la liaison; et enfin, sur les champs électriques internes qui ont ainsi été créés, " explique le professeur Dr Carsten Ronning de l'Université d'Iéna. " Ce sont tous des indicateurs élémentaires pour la fonction du composant, " ajoute Ronning, qui dirige le projet. Cependant, dans la procédure mise au point par les physiciens, les composants étudiés n'ont pas besoin d'être minutieusement préparés ou peut-être même détruits. "En principe, on peut radiographier les diodes d'un téléphone portable allumé, sans l'abîmer, " dit Ronning.

Faisceau de rayons X de l'accélérateur de particules

Une caractéristique décisive de l'approche de recherche est un faisceau de rayons X très finement focalisé, avec lequel les physiciens d'Iéna ont initialement radiographié un appareil spécialement conçu pour leurs expériences. "Nous avons introduit des atomes d'arsenic et de gallium dans un fil de silicium d'environ 200 nanomètres d'épaisseur. Lorsqu'il est chauffé, ces atomes s'agglomèrent en un point, c'est-à-dire, ils se massent ensemble, qui produit un composant fonctionnel, " explique le professeur Ronning. " Nous avons ensuite fait passer un faisceau de rayons X de 50 nanomètres de large le long du fil, l'irradiant ainsi petit à petit."

Les chercheurs ont établi que cet arrangement mélange de matériaux, semblable à une cellule solaire, converti les rayons X en courant électrique, qui ne coulait que dans un sens, comme dans une diode. De cette façon, les chercheurs ont rendu visibles les champs électriques internes essentiels. En outre, le composant a émis de la lumière. "Les rayons X excitent les atomes dans le bloc de construction, qui émettent un rayonnement caractéristique, " explique le Dr Andreas Johannes, qui a mené les expériences. "De cette façon, on obtient un spectre, ce qui nous donne des informations précieuses sur les éléments individuels présents et leurs rapports relatifs." Si l'énergie des rayons X est modifiée, des spectres d'absorption des rayons X sont produits qui permettent aux chercheurs de faire des affirmations concernant le degré d'oxydation des éléments - et par extension, concernant les obligations elles-mêmes.

"Maintenant, il est possible d'obtenir tous ces types d'informations par une seule mesure en utilisant notre méthode, " explique Andreas Johannes. Bien que des résultats comparables soient possibles en microscopie électronique, dans ces cas, les appareils doivent être spécialement préparés et éventuellement détruits, car la profondeur de pénétration du faisceau d'électrons est sensiblement plus limitée. De plus, de telles mesures ne peuvent avoir lieu que dans le vide, alors que la méthode aux rayons X est pratiquement indépendante de tout environnement spécifique.

Jusqu'à maintenant, des faisceaux de rayons X aussi étroits ne pouvaient être générés que par des accélérateurs de particules, c'est pourquoi les physiciens de l'Université d'Iéna ont travaillé en étroite collaboration avec l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble, La France, pour développer la nouvelle méthode de mesure. Ces installations sont à la disposition des chercheurs scientifiques et de l'industrie afin de radiographier les composants existants avec une plus grande précision, et par dessus tout, d'essayer de nouvelles combinaisons de matériaux afin de créer des composants plus performants. "Par exemple, notre méthode peut être intéressante dans le développement de nouvelles batteries, " dit Andreas Johannes. " Parce que les chercheurs aimeraient aussi les examiner, surtout en cours d'utilisation et pleinement opérationnel, par exemple pour déterminer les degrés d'oxydation des éléments."