Des scientifiques du California Institute of Technology ont découvert le mécanisme physique par lequel des réseaux de piliers à l'échelle nanométrique peuvent être développés sur des films polymères avec une très grande précision, dans des schémas potentiellement illimités.

Ce procédé nanofluidique, développé par Sandra Troian, professeur de physique appliquée, aéronautiques, et génie mécanique à Caltech, et décrit dans un article récent de la revue Lettres d'examen physique -- pourrait un jour remplacer les techniques conventionnelles de modelage lithographique maintenant utilisées pour construire des structures tridimensionnelles à l'échelle nanométrique et micrométrique à utiliser dans l'optique, photonique, et des dispositifs biofluidiques.

La fabrication de haute résolution, les nanoarrays à grande surface s'appuient fortement sur les techniques conventionnelles de structuration photolithographique, qui impliquent des traitements utilisant de la lumière ultraviolette et des produits chimiques agressifs qui dissolvent et gravent alternativement des plaquettes de silicium et d'autres matériaux. La photolithographie est utilisée pour fabriquer des circuits intégrés et des dispositifs microélectromécaniques, par exemple.

Cependant, les cycles répétés de dissolution et de gravure provoquent une rugosité de surface importante dans les nanostructures, limitant finalement leurs performances.

"Ce processus est aussi intrinsèquement bidimensionnel, et ainsi les structures tridimensionnelles doivent être modelées couche par couche, " dit Troian.

Dans un souci de réduction des coûts, temps de traitement, et la rugosité, les chercheurs ont exploré des techniques alternatives par lesquelles les films fondus peuvent être modelés et solidifiés in situ, et en une seule étape.

Il y a une dizaine d'années, groupes en Allemagne, Chine, et les États-Unis ont rencontré un phénomène étrange en utilisant des techniques impliquant des gradients thermiques. Lorsque des nanofilms polymères fondus ont été insérés dans un mince espace séparant deux plaquettes de silicium maintenues à des températures différentes, des réseaux de piliers nanométriques se sont spontanément développés.

Ces protubérances se sont développées jusqu'à ce qu'elles atteignent la tranche supérieure; les piliers résultants étaient généralement de plusieurs centaines de nanomètres de haut et distants de plusieurs microns.

Ces piliers parfois fusionnés, former des motifs qui ressemblaient à des chaînes de vélo vus de dessus ; dans d'autres films, les piliers poussaient régulièrement espacés, tableaux en nid d'abeille. Une fois le système ramené à température ambiante, les structures se sont solidifiées en place pour produire des caractéristiques auto-organisées.

En 2002, des chercheurs allemands qui avaient observé ce phénomène ont émis l'hypothèse que les piliers résultent de fluctuations de pression infinitésimales, mais très réelles, le long de la surface d'un film plat par ailleurs inactif. Ils ont proposé que les différences de pression de surface étaient causées par des variations tout aussi infimes dans la façon dont les paquets individuels (ou quanta) d'énergie vibratoire, connu sous le nom de phonons, reflètent des interfaces de film.

« Dans leur modèle, on pense que la différence d'impédance acoustique entre l'air et le polymère génère un déséquilibre du flux de phonons qui provoque une pression de rayonnement qui déstabilise le film, permettant la formation de piliers, " dit Troian. " Leur mécanisme est l'analogue acoustique de la force Casimir, ce qui est assez familier aux physiciens travaillant à l'échelle nanométrique."

Mais Troian, qui était familier avec les effets thermiques à petite échelle - et savait que la propagation de ces phonons est en fait peu probable dans les masses fondues de polymères amorphes, qui manquent de structure périodique interne - ont immédiatement reconnu qu'un autre mécanisme pourrait se cacher dans ce système.

Pour déterminer la cause réelle de la formation de nanopiliers, elle et le chercheur postdoctoral de Caltech Mathias Dietzel ont développé un modèle fluide-dynamique du même type de mince, nanofilm fondu dans un gradient thermique.

Leur modèle, Troian dit, " présentait une instabilité auto-organisatrice capable de reproduire les étranges formations, " et a montré que les nanopiliers, En réalité, ne se forment pas par des fluctuations de pression mais par un processus physique simple connu sous le nom d'écoulement thermocapillaire.

Dans le flux capillaire - ou action capillaire - la force d'attraction, ou cohésion, entre les molécules du même liquide (disons, eau) produit une tension superficielle, la force de compression qui est responsable du maintien d'une goutte d'eau. Étant donné que la tension superficielle a tendance à minimiser la surface d'un liquide, il agit souvent comme un mécanisme de stabilisation contre la déformation causée par d'autres forces. Différences de température le long d'une interface liquide, cependant, générer des différences de tension superficielle. Dans la plupart des liquides, les régions plus froides auront une tension superficielle plus élevée que les régions plus chaudes - et ce déséquilibre peut faire s'écouler le liquide des régions les plus chaudes vers les plus froides, un processus connu sous le nom de flux thermocapillaire.

Précédemment, Troian a utilisé de telles forces pour des applications microfluidiques, déplacer des gouttelettes d'un point à un autre.

"Vous pouvez très bien voir cet effet si vous déplacez un glaçon en huit sous une tôle enduite d'un liquide comme le glycérol, " dit-elle. " Le liquide jaillit au-dessus du cube alors qu'il trace la figure. Vous pouvez dessiner votre nom de cette façon, et, presto! Vous vous êtes procuré une nouvelle forme de lithographie thermocapillaire !"

Dans leurs Lettres d'examen physique papier, Troian et Dietzel ont montré comment cet effet peut théoriquement dominer toutes les autres forces à des dimensions nanométriques, et a également montré que le phénomène n'est pas propre aux films polymères.

Dans les expériences de gradient thermique, ils disent, les pointes des minuscules protubérances dans le film polymère subissent une température légèrement plus froide que le liquide environnant, en raison de leur proximité avec la plaquette la plus froide.

"La tension superficielle à une pointe en évolution est juste un peu plus élevée, et cela met en place une force très forte orientée parallèlement à l'interface air/polymère, qui amorce le fluide vers la plaquette plus froide. Plus la pointe se rapproche de la plaquette, plus il fait froid, conduisant à une instabilité auto-renforçante, " explique Troian.

Finalement, elle dit, "vous pouvez vous retrouver avec des structures colonnaires très longues. La seule limite à la hauteur de la colonne, ou nanopilier, est la distance de séparation des plaquettes."

Dans les modèles informatiques, les chercheurs ont pu utiliser des variations ciblées de la température du substrat plus froid pour contrôler avec précision le motif répliqué dans le nanofilm. Dans l'un de ces modèles, ils ont créé un « nanorelief » en trois dimensions du logo Caltech.

Troian et ses collègues commencent maintenant des expériences en laboratoire dans lesquelles ils espèrent fabriquer un large éventail d'éléments optiques et photoniques à l'échelle nanométrique. "Nous recherchons des nanostructures avec des surfaces spéculaires lisses - aussi lisses que vous puissiez les faire - et des formes 3D qui ne sont pas facilement réalisables en utilisant la lithographie conventionnelle, " dit Troian.

"C'est un exemple de la façon dont la compréhension de base des principes de la physique et de la mécanique peut conduire à des découvertes inattendues qui peuvent avoir une grande portée, Les implications pratiques, " dit Arès Rosakis, président de la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées (EAS) et Theodore von Kármán professeur d'aéronautique et de génie mécanique à Caltech. "C'est la vraie force de la division EAS."

Plus d'information: Phys. Rév. Lett. 103, 074501 (2009), link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.074501

Source :California Institute of Technology (actualité :web)