Les nano-îlots sont complètement isolés (à gauche) ou contigus (à droite). Crédit :FIJ PAN
Le siliciure d'Europium attire depuis quelque temps l'attention des scientifiques. Reconnue comme prometteuse pour l'électronique et la spintronique, ce matériau a été récemment soumis par une équipe de physiciens polonais, l'Allemagne et la France à des études approfondies des vibrations de son réseau cristallin. Les résultats ont surpris :déposés sur un substrat de silicium, certaines structures de siliciure d'europium semblent vibrer d'une manière qui élargit clairement les possibilités de conception de nanomatériaux avec des propriétés thermiques adaptées.
Les vibrations des atomes dans les réseaux cristallins des matériaux, connu sous le nom de phonons, ne sont pas chaotiques. Au lieu, ils sont régis par la symétrie du réseau, masse atomique et d'autres facteurs. Par exemple, les atomes au fond du solide oscillent différemment qu'à sa surface, et encore différemment lorsque la matière se forme, par exemple, des nano-îlots, c'est-à-dire de petits amas atomiques sur un substrat. Une équipe internationale de physiciens, composé de scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, le Karlsruhe Institute of Technology (KIT) et le Synchrotron Européen (ESRF) à Grenoble, ont pour la première fois examiné de manière approfondie comment les vibrations du réseau cristallin du siliciure d'europium (EuSi2) changent en fonction de la disposition des nanostructures sur un substrat de silicium. L'étude a donné des résultats remarquables :un nouveau type de vibration a été observé dans l'échantillon dans lequel les nano-îlots EuSi2 étaient en contact les uns avec les autres.
"Généralement, la nano-ingénierie signifie modifier le matériau à l'échelle du nanomètre, ou des milliardièmes de mètre. Les recherches sur le siliciure d'europium auxquelles nous avons participé nous permettent d'offrir quelque chose de plus :la nano-ingénierie des phonons, c'est-à-dire une ingénierie dans laquelle non pas tant la structure du matériau est soigneusement conçue que les vibrations des atomes dans son réseau cristallin, " déclare le Dr Przemyslaw Piekarz (FIJ PAN).
Le siliciure d'europium forme un cristal, dans lequel chaque atome d'europium est entouré de 12 atomes de silicium. Le système présente ce qu'on appelle la symétrie tétragonale :la distance entre les atomes dans une direction est différente de celle dans les deux directions restantes. Ce composé métallique se lie facilement au silicium, et a également une barrière dite de Schottky record (c'est-à-dire la barrière des électrons d'énergie potentielle rencontrés lors de leur transition du métal au silicium). De tels matériaux présentent aujourd'hui un intérêt au vu de leur application potentielle dans les systèmes nanoélectroniques, par exemple, dans la technologie MOSFET utilisée dans la production de processeurs modernes. Cependant, à basse température, EuSi2 présente également des propriétés magnétiques intéressantes, ce qui le rend attrayant pour le successeur de l'électronique - la spintronique.
Bien que les composés de métaux des terres rares et de silicium jouent un rôle fondamental dans le transport de la chaleur, entre autres, leurs vibrations de réseau n'ont pas encore été étudiées de manière approfondie. Pendant ce temps, dans les systèmes nanoélectroniques où la chaleur est générée en grande quantité, les propriétés thermiques d'un matériau sont devenues aussi importantes que les propriétés magnétiques ou électriques.
Un groupe dirigé par le Dr Svetoslav Stankov (KIT, Allemagne) a développé un procédé pour la préparation de nanostructures épitaxiées EuSi2 par dépôt, dans des conditions d'ultravide, de petites quantités d'atomes d'europium sur un substrat chauffé de silicium monocristallin. De plus, en ajustant soigneusement la température du substrat et la quantité d'atomes d'europium, ils ont pu adapter la morphologie des nanostructures EuSi2 préparées à la surface du silicium.
« Dans cette expérience, nous avons concentré notre attention sur quatre échantillons de siliciure d'europium formant :un film uniforme, qui pourrait être considéré comme un cristal solide, un film plissé serré, et deux assemblages différents de nano-îlots, " explique le Dr Stankov et ajoute :" Un nano-îlot est un amas discret d'atomes auto-organisés sur une surface atteignant des tailles de plusieurs dizaines de nanomètres avec une hauteur d'une dizaine de nanomètres. Il s'est avéré que les échantillons dans lesquels les nano-îlots EuSi2 sont complètement isolés les uns des autres et ceux où les nano-îlots sont en contact étroit les uns avec les autres sont particulièrement intéressants. »
La surface des nano-îlots est marquée en marron, cristaux solides EuSi2 en jaune, et la surface de silicium en noir. Deux interfaces sont visibles :entre les nano-îlots et la surface de silicium (bleu), et la source de nouvelles vibrations -- l'interface entre deux nano-îlots (vert). Crédit :FIJ PAN
Les échantillons ont été préparés dans le système ultravide de la ligne de résonance nucléaire du synchrotron ESRF de Grenoble par le groupe KIT et étudiés in situ par diffusion inélastique nucléaire (NIS).
"NIS est une méthode de pointe pour la mesure directe du spectre d'énergie des vibrations atomiques des nanomatériaux à très haute résolution. Dans cette technique expérimentale, l'échantillon est illuminé avec des photons de haute énergie, choisi de telle sorte que leur absorption par les noyaux atomiques excite ou annihile les vibrations du réseau d'un certain type, produisant la densité de phonons d'états spécifiques à l'élément, " ajoute le Dr Stankov.
Des études théoriques à la FIJ PAN ont été menées ab initio, basé sur les lois fondamentales de la mécanique quantique et de la physique statistique, en utilisant le logiciel PHONON écrit par le Prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN). Le groupe de Cracovie s'est occupé non seulement de la modélisation des vibrations du réseau cristallin des structures du siliciure d'europium, mais aussi déterminer les conditions de réalisation des expériences dans le synchrotron ESRF.
« A Grenoble seules les énergies vibratoires des atomes d'europium ont été enregistrées. Les courbes obtenues à partir des mesures concordaient très bien avec nos calculs pour le cristal solide et la surface. Nous avons pu compléter ces données par nos prédictions pour les mouvements des atomes de silicium, ce qui a permis de mieux interpréter les résultats, " dit le Pr Parlinski.
Des résultats particulièrement intéressants ont été obtenus pour les échantillons avec des nano-îlots. Dans le cas d'un substrat recouvert de nano-îlots discrets une augmentation significative de l'amplitude de vibration des atomes d'europium a été observée, jusqu'à 70% par rapport aux vibrations dans le cristal. Une augmentation aussi importante se traduit par des possibilités nettement plus grandes dans le domaine du transfert de chaleur. L'effet le plus intéressant est apparu, cependant, dans l'échantillon avec des nano-îlots adjacents. À savoir, des vibrations supplémentaires avec une énergie caractéristique ont été trouvées aux interfaces entre les nano-îlots. Bien que théoriquement prédit plus tôt, leur existence a été confirmée expérimentalement pour la première fois. Ils constituent une autre « passerelle » par laquelle le matériau peut évacuer de la chaleur dans l'environnement. Grâce aux nano-îlots adjacents, une augmentation significative de l'efficacité du transfert de chaleur dans les nanostructures devient une réalité.
"Dans l'analyse des matériaux, les scientifiques examinent généralement les propriétés d'un échantillon de morphologie fixe. Nous avons décrit tout un spectre de morphologies de surface possibles d'EuSi2. Un modèle théorique avancé et des mesures précises nous ont permis pour la première fois de tracer exactement comment les vibrations du réseau cristallin d'un nanomatériau changent en fonction de sa disposition sur le substrat, " a souligné le Dr Piekarz.
La recherche sur les nanostructures de siliciure d'europium, financé par l'Association Helmholtz, l'Institut de technologie de Karlsruhe (projet VH-NG-625) et du côté polonais par la bourse HARMONIA du Centre national des sciences polonais, est de nature fondamentale. Cependant, les connaissances acquises, en particulier en ce qui concerne les vibrations du réseau cristallin se produisant à l'interface entre les nano-îlots adjacents et les changements drastiques associés dans le transport de chaleur, est universel. Après une adaptation appropriée, ce phénomène permettra aux chercheurs de concevoir des nanomatériaux autres que le siliciure d'europium avec des propriétés thermiques adaptées.
