Les puces qui pilotent les gadgets électroniques de tous les jours tels que les ordinateurs personnels et les smartphones sont fabriquées dans des usines de fabrication de semi-conducteurs. Ces usines utilisent de puissants microscopes électroniques à transmission. Alors qu'ils peuvent voir des structures physiques plus petites qu'un milliardième de mètre, ces microscopes n'ont aucun moyen de voir l'activité électronique qui fait fonctionner les appareils.

Cela pourrait bientôt changer, grâce à une nouvelle technique d'imagerie développée par des chercheurs de l'UCLA et de l'Université de Californie du Sud. Cette avancée peut permettre aux scientifiques et aux ingénieurs d'observer et de comprendre l'activité électronique à l'intérieur d'appareils fonctionnels, et finalement améliorer leur fonctionnalité.

L'étude, qui a été publié en ligne dans Examen physique appliqué , était dirigé par Chris Regan, Professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA et membre du California NanoSystems Institute.

La nouvelle méthode montre des détails que les approches traditionnelles avec des microscopes électroniques ne capturent pas, tout en révélant également des états électroniques dans un échantillon, ce qui était auparavant impossible avec de tels microscopes.

"Bien sûr, vous préférez regarder les appareils en direct, " a déclaré Regan. "Nous voulons voir ce qui rend un appareil vivant dans un sens électronique, et les techniques standard ne le peuvent pas."

Un appareil électronique peut être comparé au cerveau humain. Le cerveau est généralement photographié par rayons X, qui donnent une image précise de sa structure physique.

"Il y a beaucoup de physique et de chimie très subtiles qui se passent dans votre cerveau, et si tu prenais une photo, tu n'en verrais rien, " a déclaré Regan. " L'image manque des choses très dramatiques qui font de votre cerveau un endroit intéressant. "

La technique que lui et son équipe ont créée ressemble moins à l'imagerie aux rayons X, et plus comme les tests d'IRM fonctionnelle - ou IRMf - que les neuroscientifiques utilisent pour suivre le flux sanguin dans le cerveau.

"Avec l'IRMf, vous pouvez voir les pièces s'allumer qui sont utilisées, " dit Regan. " Cela vous donne un aperçu du fonctionnement du cerveau. De la même manière, notre technique vous permet de voir les choses qui changent au fur et à mesure qu'un appareil électronique fonctionne."

Les microscopes électroniques utilisent des faisceaux d'électrons pour aider les scientifiques à « voir » un objet. Dans cette étude, les chercheurs ont couplé un microscope électronique à balayage à transmission, ou STEM, et imagerie par courant induit par faisceau d'électrons, connue sous le nom d'imagerie EBIC.

L'imagerie EBIC utilise un amplificateur pour mesurer le courant électrique dans un échantillon exposé au faisceau d'électrons d'un microscope. Cette technique, démontré pour la première fois dans les années 1960, est utile pour montrer le champ électrique intégré à certains appareils comme les cellules solaires. Mais dans ce cas, les chercheurs ont examiné des appareils dépourvus de champs électriques intégrés.

Acquérir à la fois les images du microscope à balayage standard et les images EBIC, les chercheurs ont examiné une simple paire d'électrodes. Les images EBIC ont produit une résolution et un contraste jamais vus auparavant. Cette méthode a montré quelle électrode recevait le courant, et a même produit une carte détaillée de la conductivité des électrodes.

"Quand nous avons commencé à développer cette technique, nous regardions des échantillons où il y a un changement physique très subtil mais un énorme changement électronique, " dit William Hubbard, un boursier postdoctoral dans le laboratoire de Regan et premier auteur de l'étude. "Nous avons vu un contraste vraiment intéressant que vous ne pouvez pas obtenir autrement."

Pour comprendre le mécanisme à l'œuvre, l'équipe a utilisé deux amplificateurs pour enregistrer deux mesures EBIC - une autre innovation - et a découvert que l'imagerie EBIC captait les signaux faibles des électrons secondaires. Cette sensibilité leur a permis de visualiser non seulement où se trouvent les électrons, mais là où ils ne le sont pas, des éléments fondamentaux du flux de courant dans une puce.

La richesse des données a surpris même les chercheurs lorsqu'ils ont appliqué la technique pour la première fois.

"Nous avons vu quelque chose de très inattendu qui nous a rendu incroyablement excité, " dit Hubbard. " Donc je dirais que cela a mieux fonctionné que prévu. "

La production de tranches d'échantillons suffisamment fines pour l'imagerie par microscopie électronique à transmission rend les puces contemporaines inutilisables. Mais, au fur et à mesure que les composants deviennent plus petits et plus minces avec le temps, cette recherche peut ouvrir de nouvelles possibilités pour comprendre ce qui se passe à l'intérieur des appareils grand public du futur.