Une image au microscope électronique à balayage montre un nanofil d'or monocristallin sur un substrat d'oxyde thermique. Les scientifiques de l'Université Rice ont montré que les contraintes et les défauts du matériau peuvent modifier sa réponse thermoélectrique. Crédit :Groupe de recherche Natelson/Université Rice
Bien que les Jeux olympiques d'été aient été reportés, il y a au moins un endroit pour voir les haies agiles viser l'or.
Vous avez juste besoin d'un moyen de voir ces jeux d'électrons.
En utilisant un nouveau système de détection optique, des chercheurs de l'Université Rice ont découvert que l'électricité générée par les différences de température ne semble pas être affectée de manière mesurable par les joints de grains placés sur son chemin dans des fils d'or à l'échelle nanométrique, tandis que la contrainte et d'autres défauts dans le matériau peuvent modifier cette réponse "thermoélectrique".
Le phénomène pourrait permettre la détection de défauts cristallins dans les matériaux conducteurs qui sont difficiles à repérer et à caractériser même avec les méthodes microscopiques les plus avancées.
Le résultat a été une surprise pour les chercheurs dirigés par le physicien Rice Doug Natelson et l'ancienne doctorante Charlotte Evans, maintenant membre du personnel scientifique des laboratoires nationaux Sandia, qui ont poursuivi l'explication après avoir vu des mesures qu'ils ne pouvaient pas expliquer il y a quelques années.
"Un grand nombre de fois, les gens pensent à l'effet thermoélectrique lorsqu'ils construisent des panneaux solaires ou produisent de l'électricité à partir de ceci ou de cela, ", a déclaré Evans. "Nous soutenons plutôt que l'effet thermoélectrique est un outil de diagnostic vraiment intéressant."
Le système de détection optique de l'Université Rice révèle de petits défauts structurels dans un nanofil d'or qui peut sembler être un cristal parfait au microscope électronique à balayage. La découverte a des implications pour la fabrication de meilleurs dispositifs électroniques à couche mince. Crédit :Charlotte Evans/Université Rice
L'étude apparaît dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .
Les joints de grains sont les plans des matériaux où se rencontrent des cristaux mal alignés, forçant les atomes le long du bord à s'ajuster lorsqu'ils se lient à leurs voisins. Des mesures dans des nanofils d'or bicristallins produites par le groupe d'ingénieurs électriciens de l'Université de Stanford et co-auteur Jonathan Fan n'ont montré aucun effet détectable sur les tensions thermoélectriques au joint de grain - les électrons dans le métal ont simplement ignoré le joint de grain unique.
Les différences de température dans les conducteurs créent de la thermoélectricité par effet Seebeck, un type d'effet thermoélectrique. Cet effet est couramment utilisé pour mesurer les différences de température et pour contrôler les thermostats. Le laboratoire Natelson a déclenché l'effet Seebeck en chauffant une partie des fils de Fan avec un laser étroitement contrôlé, conduire les électrons à se déplacer de l'emplacement chaud vers les régions plus froides, et produit une tension à mesurer. Aucun changement mesurable de la tension n'a été observé lorsque le laser a été déplacé à travers la limite de grain dans les bi-cristaux.
Lorsque le laser a été déplacé sur des parties des mêmes fils qui ont été déformés, avec des distorsions dans le réseau cristallin tout au long du fil, des changements de tension sont devenus apparents, dit Natelson. Le recuit des dispositifs déformés a en partie guéri les défauts, entraînant des changements clairs dans le courant thermoélectrique.
"Il y a une communauté de personnes qui jouent avec l'amélioration de la réponse thermoélectrique, " Natelson a déclaré. "Ils doivent être conscients que les problèmes structurels comme de très petites distorsions du réseau ont des effets qui ne sont pas nécessairement petits. Les gens ont tendance à ignorer ces petits problèmes structurels, mais chaque fois que vous fabriquez des appareils à couche mince, il y a des contraintes et des tensions dans le matériau, juste à cause de la façon dont c'est fait."
En utilisant un nouveau système de détection optique qui chauffe des fils d'or à l'échelle nanométrique avec un seul laser, des chercheurs de l'Université Rice ont montré que l'électricité générée par les différences de température n'est pas affectée de manière mesurable par les joints de grains, tandis que la contrainte et d'autres défauts dans le matériau modifient la réponse thermoélectrique. Crédit :Groupe de recherche Natelson/Université Rice
Evans a déclaré que les cristaux nanométriques sont souvent caractérisés par diffraction par rétrodiffusion d'électrons (EBSD), un processus coûteux et chronophage. "L'avantage de notre procédé est sa simplicité, " dit-elle. " Nous utilisons une grande taille de spot d'un laser, deux microns, qui est beaucoup plus grand que la taille d'un e-beam, et nous pouvons détecter les variations en utilisant simplement une technique de verrouillage, un laser à balayage et un amplificateur de tension.
"Si vous regardez les données EBSD simples, on dirait que vous avez un cristal vierge, " dit-elle. " Et ce n'est que lorsque vous post-traitez les données et regardez comment chaque pixel varie par rapport au suivant que vous verrez de petites distorsions le long du fil. C'est compliqué à détecter. C'est pourquoi il est si remarquable que nous puissions détecter ces petites variations avec un laser."
"Donc, si vous voulez faire quelque chose d'intelligent et exploiter la réponse thermoélectrique, vous devez comprendre les appareils que vous fabriquez avec la norme, méthodes de fabrication descendantes, " Natelson a déclaré. "Le stress et la tension et ce qui semblait être des imperfections structurelles mineures peuvent avoir une influence facilement détectable."
