Lorsque les scientifiques parlent de cristaux, ils font souvent référence à des monocristaux. Ces structures hautement ordonnées sont constituées d’atomes, de molécules ou d’ions disposés selon un motif tridimensionnel répétitif. Parce que leurs unités de base répétitives sont régulières et s’empilent parfaitement les unes sur les autres, les monocristaux ont tendance à être solides, uniformes et faciles à caractériser.
Mais la nature fournit rarement des monocristaux parfaits. Au lieu de cela, les matériaux se présentent souvent sous forme d’agrégats polycristallins, un mélange de monocristaux plus petits et orientés de manière aléatoire.
Cette disparité est importante car les propriétés d’un matériau dépendent fortement de la manière dont ses atomes ou molécules s’assemblent. Par exemple, les performances des cellules solaires au silicium et des LED dépendent de la taille et de l’orientation des minuscules monocristaux du matériau.
Des chercheurs publiés dans la revue ACS Nano décrivent désormais comment ils ont filmé la croissance des cristaux. L'équipe, dirigée par Yassar Dahman de l'Université de Virginie, a utilisé une méthode de microscopie connue sous le nom de microscopie à force atomique pour observer la nucléation de minuscules cristaux sur un substrat de silicium.
Les microscopes à force atomique utilisent un porte-à-faux pointu, semblable à celui d'un microscope à sonde à balayage, pour scanner la surface. Lorsque le porte-à-faux se déplace sur un échantillon, sa position verticale est ajustée selon les besoins pour maintenir une force constante entre la pointe et la surface. Les données résultantes peuvent ensuite être utilisées pour déterminer comment la topographie de la surface varie le long du scan.
Le groupe a configuré son instrument pour scanner une zone légèrement supérieure à 2 micromètres de côté, toutes les 2 millisecondes – un processus qu'ils ont poursuivi pendant plus d'une demi-heure. La vidéo des chercheurs montre comment des îlots cristallins à l’échelle nanométrique se forment sur le substrat. La vidéo révèle également que les îles grandissent rapidement, fusionnent les unes avec les autres et se déplacent à la surface à mesure que le matériau se réorganise, pour finalement former des cristaux plus grands et plus parfaits.
"Vous pouvez voir une petite île nucléée, et elle commencera à grandir et finira par toucher une autre île et fusionner avec elle", explique Dahman.
Dahman note que l’échelle de temps du film est plusieurs fois plus rapide que celle d’autres techniques utilisées pour imager le mouvement des atomes sur des surfaces, telles que la microscopie à effet tunnel. « Ce que nous montrons ici est très différent de ce que nous voyons avec ces techniques, qui montrent des images statiques car elles sondent la surface très lentement », dit-il. "Nous voyons un film au lieu d'une image fixe."
La technique révèle également que les îles ont initialement des structures différentes, mais que la structure la plus stable prend ensuite le dessus à mesure que les cristaux grossissent, explique Dahman. "La structure la plus stable est celle dont l'énergie de surface est la plus faible", explique-t-il.
Dahman dit que l'équipe espère utiliser la nouvelle méthode de microscopie pour étudier comment différents matériaux se développent en temps réel, pour en savoir plus sur les raisons pour lesquelles les matériaux adoptent des structures cristallines spécifiques et pour concevoir de meilleurs matériaux pour diverses applications.
Matthew J. Highland de l'Université de Chicago, qui n'a pas participé à la recherche, affirme que le travail est « très intrigant » et « passionnant ».
«La capacité d'observer l'évolution de la croissance cristalline in situ à l'échelle nanométrique est d'une grande valeur pour ce domaine», dit-il. Et bien que les chercheurs aient photographié des cristaux se développant sur du silicium, Highland note que « cette technique est également applicable à une variété d’autres systèmes de matériaux, notamment les semi-conducteurs organiques, les oxydes métalliques et même les biomolécules ».
