Une équipe de chercheurs en fusion a réussi à développer une "technique de sculpture à l'échelle nanométrique" pour fabriquer un film ultra-mince en affûtant un échantillon de tungstène avec un faisceau d'ions focalisé. Cela permet l'observation à l'échelle nanométrique d'une section transversale très près de la surface supérieure de l'échantillon de tungstène à l'aide d'un microscope électronique à transmission. La technique de sculpture développée par cette recherche peut être appliquée non seulement au tungstène mais aussi à d'autres matériaux durs.

Les matériaux durcis tels que les métaux, les carbones et les céramiques sont utilisés dans les automobiles, avions et bâtiments. Dans une étude sur un réacteur à fusion, tungstène, qui est l'un des matériaux métalliques les plus durs, est le candidat le plus probable pour le matériau de blindage du dispositif qui reçoit la charge de chaleur/particules du plasma. Cet appareil s'appelle un divertor. Dans tous les matériaux durcis, des dommages ou des défauts à l'échelle nanométrique peuvent se former très près de la surface supérieure des matériaux. Pour prédire la durée de vie des matériaux, il est nécessaire de connaître les types d'endommagement et leurs profils de profondeur dans un matériau. Pour faire ça, nous devons observer une section transversale de la région très près de la surface supérieure du matériau au niveau nanométrique.

Pour l'observation de la structure interne des matériaux à l'échelle nanométrique, microscope électronique à transmission (MET), dans lequel des électrons accélérés sont transmis à travers les matériaux cibles, est couramment utilisé comme un outil puissant. Afin d'observer une section transversale très près de la surface supérieure du tungstène avec MET, nous extrayons d'abord un petit morceau de l'échantillon de tungstène de sa surface, puis fabriquons un film ultra-mince en découpant l'échantillon extrait. L'épaisseur du film doit être inférieure à ~100 nm pour obtenir une haute résolution en raison de la transmission élevée du faisceau d'électrons. Cependant, il a été extrêmement difficile de fabriquer un tel film ultra-mince pour des matériaux durs tels que le tungstène. Par conséquent, il a été presque impossible d'obtenir le niveau d'épaisseur d'environ 100 nm en utilisant des techniques conventionnelles de fabrication de couches minces.

L'équipe de recherche du Dr Masayuki Tokitani et Daisuke Nagata et al des National Institutes of Natural Sciences (NINS) National Institute for Fusion Science (NIFS) ont développé une technique de fabrication à l'échelle nano supérieure pour le tungstène, en utilisant un dispositif faisceau d'ions focalisé-faisceau d'électrons (FIB-SEM). Ils appellent cette technique la "technique de sculpture à l'échelle nano". Le dispositif FIB-SEM nous permet de découper des matériaux en les irradiant avec un faisceau d'ions Ga focalisé d'environ 30 nm de diamètre. L'équipe de recherche a précédemment essayé de fabriquer un film ultra-mince en affûtant un petit morceau de tungstène avec FIB-SEM. Cependant, ils avaient le problème que la surface la plus haute était malheureusement perdue parce que l'intensité du faisceau devait être relativement forte pour le tungstène dur. Pour résoudre ce problème, ils ont maintenant produit une opération spéciale de faisceau de Ga pour maintenir la surface la plus haute en ajustant les positions et les directions d'irradiation du faisceau. Ils affinent également progressivement la région près de la surface, créant une forme qui s'amincit vers le bas. Par conséquent, ils obtiennent un film ultra-mince d'une épaisseur d'environ 100 nm ou moins et dont la surface supérieure reste intacte.

Dans l'image obtenue par l'observation MET du film ultra-mince fabriqué, nous pouvons clairement identifier les dommages au niveau atomique formés près de la surface supérieure de l'échantillon de tungstène. Ainsi, la "technique de sculpture à l'échelle nanométrique" développée par cette équipe de recherche permet d'observer une section transversale près de la surface supérieure d'un échantillon de tungstène à l'échelle atomique. Cette technique de sculpture peut être appliquée non seulement au tungstène mais aussi à d'autres matériaux durs tels que les alliages durcis et la céramique. Actuellement, nous envisageons cette technique de sculpture pour une application dans l'industrie automobile.