(PhysOrg.com) -- Il y a près de trois ans, une équipe de scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Laboratoire de Berkeley) du département américain de l'Énergie effectuait une expérience dans laquelle des couches d'or de quelques nanomètres (milliardièmes de mètre) d'épaisseur étaient chauffées. sur une surface plane en silicone puis laisser refroidir. Ils ont vu avec surprise des caractéristiques particulières s'étendre et changer sur l'écran de leur microscope électronique, s'installant finalement en cercles entourés de cloques irrégulières.

Les cercles variaient de diamètre jusqu'à quelques millionièmes de mètre, et au centre de chacun se trouvait un carré parfait. Les motifs mystérieux ne rappelaient rien tant que des crop circles dits "extraterrestres".

Jusqu'à récemment, la cause de ces étranges formations restait un mystère. Maintenant, des idées théoriques ont expliqué ce qui se passe, et les résultats ont été publiés en ligne par Lettres d'examen physique .

Alliages en fusion

Lorsque deux solides sont combinés dans les bonnes proportions, des changements dans la liaison chimique peuvent produire un alliage qui fond à une température bien inférieure à celle que l'un ou l'autre peut fondre par lui-même. Un tel alliage est appelé eutectique, Grec pour "bonne fonte". L'alliage eutectique d'or et de silicium - 81 pour cent d'or et 19 pour cent de silicium - est particulièrement utile dans le traitement de semi-conducteurs à l'échelle nanométrique tels que les nanofils, ainsi que les interconnexions de dispositifs dans les circuits intégrés; il se liquéfie à un modeste 363˚ Celsius, bien inférieur au point de fusion de l'or pur, 1064°C, ou du silicium pur, 1414°C.

"Le liquide eutectique or-silicium peut souder en toute sécurité des couches de puces ensemble ou former des fils conducteurs microscopiques, en s'écoulant dans des canaux du substrat sans brûler l'environnement, " dit Junqiao Wu du Berkeley Lab. " C'est particulièrement intéressant pour le traitement de matériaux et de dispositifs à l'échelle nanométrique. " Wu cite l'exemple des nanofils de silicium, qui peut être cultivé à partir de billes de liquide eutectique qui se forment à partir de gouttelettes d'or. Les billes catalysent le dépôt de silicium à partir d'une vapeur chimique et chevauchent des moustaches de nanofils qui s'allongent continuellement.

Comprendre comment et pourquoi cela se produit a été un défi. Bien que les alliages eutectiques soient bien étudiés en tant que solides, l'état liquide présente plus d'obstacles, qui sont particulièrement redoutables à l'échelle nanométrique en raison d'une tension de surface fortement accrue - les mêmes forces de surface qui rendent difficile la formation de films d'eau ultra-minces, par exemple, car ils tirent l'eau en gouttelettes. À des échelles plus petites, le rapport entre la surface et le volume augmente de façon marquée, et les structures à l'échelle nanométrique ont été décrites comme pratiquement "toutes les surfaces".

Ce sont les conditions que l'équipe dirigée par Wu, qui est professeur à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur au département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Californie à Berkeley, se propose d'examiner, en créant des films les plus minces possibles d'alliages eutectiques or-silicium. Les chercheurs l'ont fait en partant d'un substrat de silicium pur, sur la surface plane duquel une couche barrière extrêmement mince (deux nanomètres d'épaisseur) de dioxyde de silicium s'était formée. Sur cette surface ils ont déposé des couches d'or pur, variant l'épaisseur d'un essai à l'autre entre quelques nanomètres et 300 nanomètres. La barrière de dioxyde de silicium empêchait le silicium pur de se mélanger à l'or.

L'étape suivante consistait à chauffer l'échantillon stratifié à 600 °C pendant plusieurs minutes - pas assez pour faire fondre l'or ou le silicium, mais assez pour que les trous d'épingle existant naturellement dans la fine couche de dioxyde de silicium s'agrandissent en de petits points faibles. à travers lequel le silicium pur pourrait entrer en contact avec l'or sus-jacent. A haute température, les atomes de silicium ont rapidement diffusé hors du substrat et dans l'or, formant une couche d'alliage eutectique or-silicium presque de la même épaisseur que l'or d'origine et s'étendant en un cercle pratiquement parfait à partir du trou d'épingle central.

Lorsque le disque circulaire d'alliage eutectique est devenu assez grand, il s'est soudainement rompu, perturbée par la haute énergie de surface du liquide eutectique or-silicium. Les débris ont été littéralement tirés vers les bords du disque, s'entassent autour pour laisser une zone centrale dénudée de dioxyde de silicium nu.

Au centre de la zone dénudée, un carré parfait d'or et de silicium est resté.

Chimie et cristallographie, pas des extraterrestres

La découverte la plus surprenante des chercheurs est que plus la couche d'or d'origine est fine, plus les cercles eutectiques s'étendaient rapidement. La vitesse de réaction lorsque les couches d'or n'avaient que 20 nanomètres d'épaisseur était plus de 20 fois plus rapide que lorsque les couches avaient 300 nanomètres d'épaisseur. Et alors qu'à première vue les dimensions des carrés d'or et de silicium à l'intérieur des zones circulaires dénudées semblaient variables, il y avait en effet une relation stricte entre la taille du carré et la taille du cercle :le rayon du cercle était toujours la longueur du carré élevée à la puissance 3/2.

Comment les carrés sont-ils arrivés là en premier lieu? Ils sont à l'origine des points faibles qui étaient à l'origine de la propagation des cercles eutectiques or-silicium; lorsque l'eutectique circulaire a été rompu les carrés remplis du même eutectique, qui restaient au centre des zones dénudées. En refroidissant, l'or et le silicium dans les carrés séparés, laissant des bords bien définis qui étaient du silicium pur ; les centres étaient plus grossièrement des carrés d'or pur.

En coupant à travers la couche de silicium/dioxyde de silicium/or et en regardant latéralement les structures avec un microscope électronique, les chercheurs ont découvert que les carrés de surface étaient les bases de pyramides inversées, ressemblant à des dents pénétrant dans la fine couche de dioxyde de silicium et incrustées dans la plaquette de silicium. Les carrés étaient carrés, En réalité, à cause de l'orientation du silicium :le substrat avait été découpé selon le plan cristallin qui définissait la base. Les quatre côtés triangulaires des pyramides se trouvaient le long des plans de basse énergie du réseau cristallin et étaient définis par leurs intersections.

Ce qui a commencé comme un phénomène déroutant rappelant "The X Files, " si sur une échelle considérablement plus petite que le cosmique, le mystère des " crop circles à l'échelle nano " a finalement cédé la place à une observation minutieuse et à une analyse théorique - malgré les obstacles posés par les températures élevées, tailles nanométriques, instabilités de l'état liquide, et des échelles de temps extrêmement rapides.

"Nous avons constaté que la vitesse de réaction dans la formation de liquides eutectiques or-silicium de petite taille - et peut-être dans de nombreux autres eutectiques également - est dominée par l'épaisseur des couches de réaction, ", dit Wu. "Cette découverte pourrait ouvrir de nouvelles voies pour l'ingénierie et le traitement de matériaux à l'échelle nanométrique."