Pour modifier une surface métallique à l'échelle des atomes et des molécules - par exemple pour affiner le câblage dans les puces informatiques ou l'argent réfléchissant dans les composants optiques - les fabricants l'arrosent d'ions. Bien que le processus puisse sembler high-tech et précis, la technique a été limitée par le manque de compréhension de la physique sous-jacente. Dans une nouvelle étude, Les ingénieurs de l'Université Brown ont modélisé des bombardements d'ions de gaz noble avec une richesse sans précédent, fournir des informations recherchées depuis longtemps sur son fonctionnement.

« Les motifs de surface et les contraintes causés par les bombardements de faisceaux d'ions ont été largement étudiés expérimentalement mais n'ont pas pu être prédits avec précision jusqu'à présent, " dit Kyung-Suk Kim, professeur d'ingénierie à Brown et co-auteur de l'étude publiée le 23 mai dans le Actes de la Royal Society A . "La nouvelle découverte devrait fournir une capacité de conception prédictive pour contrôler les motifs de surface et les contraintes dans les produits nanotechnologiques."

Une meilleure compréhension pourrait ouvrir la porte à de nouvelles technologies, Kim a dit, telles que de nouvelles approches pour fabriquer de l'électronique flexible, surfaces biocompatibles pour dispositifs médicaux, et des surfaces plus résistantes aux dommages et aux radiations. La recherche s'applique aux métaux dits « FCC » comme le cuivre, argent, or, nickel, et aluminium. Ces métaux sont des cristaux constitués d'arrangements cubiques d'atomes avec un à chaque coin et un au centre de chaque face de cube.

Les scientifiques tentent d'expliquer le processus compliqué depuis des décennies, et plus récemment, ils ont commencé à essayer de le modéliser sur des ordinateurs. Kim a déclaré que l'analyse de l'équipe Brown, y compris l'auteur principal et chercheur postdoctoral Sang-Pil Kim, était plus sophistiqué que les tentatives précédentes qui se concentraient sur un seul événement de bombardement et uniquement sur des défauts ponctuels isolés dans le substrat métallique.

"Dans ce travail, pour la première fois, nous étudions le comportement collectif de ces défauts lors de bombardements ioniques en termes de combinaisons ion-substrat, ", a déclaré Kyung-Suk Kim.

Le nouveau modèle a révélé comment les bombardements ioniques peuvent mettre en mouvement trois mécanismes principaux en quelques billions de seconde. Les chercheurs ont surnommé les mécanismes « formation de double couche, " "croissance du mode métro-glisse, " et " éruption d'île d'adatom. " Ils sont une conséquence de la façon dont les ions entrants font fondre le métal et ensuite comment il se resolidifie avec les ions parfois piégés à l'intérieur.

Lorsque les ions frappent la surface métallique, ils le pénètrent, éliminer les atomes proches comme des boules de billard dans un processus similaire, au niveau atomique, à fondre. Mais plutôt que de simplement s'éloigner, les atomes ressemblent plus à des boules de billard magnétiques en ce sens qu'ils se réunissent, ou se solidifier, quoique dans un ordre différent.

Certains atomes ont été déplacés. Il y a des lacunes dans le cristal plus près de la surface, et les atomes s'y rassemblent à travers l'espace vide, qui crée une couche avec plus de tension. En dessous se trouve une couche avec plus d'atomes qui y ont été projetés. Cet encombrement d'atomes crée une compression. Par conséquent, il existe maintenant deux couches avec des niveaux de compression et de tension différents. Cette "formation à double couche" est le précurseur de la "croissance en mode de glissement du métro" et de "l'éruption d'une île adatom".

Une caractéristique des matériaux qui ont été bombardés d'ions est qu'ils produisent parfois un motif de matériau qui semble avoir surgi hors de la surface d'origine. Précédemment, Kyung-Suk Kim a dit, les scientifiques pensaient que les atomes déplacés remonteraient individuellement à la surface comme des poissons tués dans une explosion sous-marine. Mais ce que montrent les modèles de l'équipe, c'est que ces îlots moléculaires sont formés par des amas entiers d'atomes déplacés qui se lient et semblent remonter à la surface.

"Le processus est analogue aux personnes qui montent dans une rame de métro dans les gares de banlieue, et ils sortent tous ensemble à la surface une fois que le train arrive dans une gare du centre-ville à l'heure de pointe du matin, ", a déclaré Kyung-Suk Kim.

Les mécanismes, tout en proposant une nouvelle explication des effets du bombardement ionique, ne sont que le début de cette recherche.

« Comme prochaine étape, Je développerai des modèles de prédiction de l'évolution des nanopatterns lors du bombardement ionique qui pourront guider les processus de nanofabrication, " Sang-Pil Kim a déclaré. " Cette recherche sera également étendue à d'autres applications telles que les matériaux mous ou durs dans des conditions extrêmes. "