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  • Mouvement atomique insaisissable capturé par microscopie électronique

    Les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à transmission à balayage pour étudier la diffusion dans un film mince. Crédit :Linköping Universitet

    Le mouvement des atomes à travers un matériau peut causer des problèmes dans certaines circonstances. La microscopie électronique à résolution atomique a permis aux chercheurs de l'Université de Linköping en Suède d'observer pour la première fois un phénomène qui a échappé aux scientifiques des matériaux pendant de nombreuses décennies. L'étude est publiée dans Rapports scientifiques .

    Dans certains contextes, il est extrêmement important que les limites soient maintenues. Un exemple est dans la technologie des couches minces, qui utilise des films extrêmement minces de divers matériaux empilés les uns sur les autres. Le mouvement thermiquement induit des atomes à travers un matériau, la diffusion, est bien connu. Une sorte spécifique de diffusion le long des défauts linéaires d'un matériau a été proposée dès les années 1950, mais est resté depuis un concept théorique et les chercheurs n'ont jamais pu l'observer directement. Au lieu, des modèles théoriques et des méthodes indirectes sont couramment appliqués pour mesurer ce phénomène, connue sous le nom de diffusion en tube de dislocation.

    Des chercheurs de l'université de Linköping et de l'université de Californie à Berkeley ont enfin pu observer la migration des atomes entre les couches d'un film mince. Ils ont utilisé la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) avec une résolution si élevée qu'il était possible d'imager les positions des atomes individuels dans le matériau. Le spécimen qu'ils ont étudié était un film mince dans lequel des couches d'un métal, nitrure d'hafnium (HfN), environ 5 milliardièmes de mètre d'épaisseur, alterner avec des couches d'un semi-conducteur, nitrure de scandium (ScN).

    Les propriétés des couches HfN/ScN font de ce matériau un candidat approprié pour une utilisation dans, par exemple, technologie de revêtement et microélectronique. Il est très important pour des raisons de stabilité que les couches de métal et de semi-conducteur ne se mélangent pas. Des problèmes surviennent si les atomes diffusent à travers une couche intermédiaire formant un pont fermé entre les couches du film, semblable à un court-circuit électrique.

    "Le matériau que nous avons étudié agit comme un système modèle parfait, mais ce type de diffusion se produit dans presque tous les matériaux. Les métaux et les semi-conducteurs se trouvent dans tous les composants électroniques utilisés dans les téléphones mobiles, des ordinateurs, etc. C'est pourquoi il est important que les scientifiques des matériaux comprennent ce type de diffusion, " dit Magnus Garbrecht, maître de conférences associé au département de physique, Chimie et biologie à l'Université de Linköping.

    La découverte décrite dans l'article est survenue lorsque Magnus Garbrecht a chauffé HfN/ScN à 950 °C. Il a remarqué que l'hafnium se diffusait dans les couches sous-jacentes. Il s'est avéré qu'un défaut était présent dans le matériau à l'origine de ce phénomène. Les chercheurs ont chauffé le matériau plusieurs fois, puis l'ont examiné à l'aide de STEM et mesuré la distance parcourue par les atomes individuels.

    "Les valeurs que nous avons mesurées concordent bien avec celles des expériences précédentes utilisant des méthodes indirectes et avec les modèles théoriques, et cela nous rend confiants que ce que nous voyons vraiment est une diffusion de dislocation-pipe, " dit Magnus Garbrecht.

    Les chercheurs expliquent pourquoi les atomes diffusent lorsque le matériau est chauffé. Les atomes individuels sont légèrement déplacés les uns par rapport aux autres dans les régions autour des défauts linéaires. Les atomes ont tendance à s'arranger en une parfaite symétrie cubique, et la tension s'accumule dans le réseau lorsque cet arrangement est perturbé. Les chercheurs montrent dans l'étude que cette souche se détend à mesure que les atomes diffusent.

    "La diffusion réduit la contrainte dans le matériau et c'est pourquoi elle ne se produit que le long des défauts linéaires qui traversent le matériau, " dit Magnus Garbrecht.


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