Mécanique quantique, littéralement :le diagramme schématique illustre comment une contrainte mécanique se développe dans des nanofilms d'aluminium de cinq et sept couches atomiques d'épaisseur en raison d'effets quantiques. L'énergie électronique, représenté dans l'oscillation décroissante, dépend de l'épaisseur du film. Pour atteindre un minimum d'énergie électronique, l'épaisseur du film doit changer. Un film de cinq couches atomiques d'épaisseur est contraint de se comprimer perpendiculairement à la surface, où au contraire, un film de sept couches atomiques se détend perpendiculairement à la surface. Parallèlement au film, le système veut simultanément s'étendre ou se contracter, respectivement. Cependant, c'est impossible car les atomes d'aluminium sont fixés sur le substrat. Par conséquent, une contrainte de compression ou de traction se développe qui est indiquée par les flèches jaunes. Ils signifient la force qui se développe pour empêcher l'expansion ou la contraction respective. Crédit :David Flötotto / MPI pour les systèmes intelligents
(Phys.org)—Lisez les têtes dans les disques durs, lasers dans les lecteurs DVD, transistors sur puces informatiques, et de nombreux autres composants contiennent tous des films ultraminces de matériaux métalliques ou semi-conducteurs. Des contraintes apparaissent dans les films minces au cours de leur fabrication. Ceux-ci influencent les propriétés optiques et magnétiques des composants, mais aussi provoquer des défauts dans les réseaux cristallins, et à la fin, entraîner la défaillance d'un composant. Comme les chercheurs du département Eric Mittemeijer de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart l'ont maintenant établi, d'énormes contraintes dans les films sont créées par un mécanisme de mécanique quantique qui était inconnu jusqu'à présent, basé sur un effet appelé confinement quantique. Cet effet peut provoquer des contraintes équivalentes à mille fois la pression atmosphérique normale, dépendant de l'épaisseur. La connaissance de cela pourrait être utile pour contrôler les propriétés optiques et mécaniques des systèmes à couches minces et augmenter leur stabilité mécanique. En outre, des capteurs très sensibles pourraient également être développés sur la base de ces connaissances.
Films de métal, les matériaux semi-conducteurs ou les céramiques peuvent aujourd'hui être développés une couche atomique à la fois sur des substrats cristallins tels que le silicium. Malgré cette précision atomique, des défauts surviennent invariablement dans les réseaux cristallins de films de quelques nanomètres d'épaisseur seulement ; parfois, un seul atome manque dans un réseau là où il devrait se trouver. Ces types de défauts de réseau peuvent nuire à l'efficacité des cellules solaires ou des lasers à semi-conducteurs. L'une des raisons à cela est le stress qui survient dans le film. Jusqu'à maintenant, la principale raison de ces contraintes était considérée comme la croissance du film sur un matériau différent, de sorte que le réseau cristallin du film ne coïncide pas avec celui du substrat. Les séparations atomiques dans le film ont été en conséquence contractées ou étendues, avec une contrainte de compression ou de traction se développant. Des scientifiques des matériaux travaillant avec Eric Mittemeijer, Directeur au Max Planck Institute for Intelligent Systems à Stuttgart, ont maintenant découvert un mécanisme supplémentaire capable de créer d'énormes contraintes dans les films ultrafins.
David Flötotto et ses collègues ont découvert ce mécanisme en analysant la contrainte dans les films d'aluminium ultrafins. Ils ont utilisé pour cela un appareil qui dépose avec précision une couche après l'autre d'atomes d'aluminium sur un substrat de silicium, tout comme un mur de briques est construit. En mesurant d'abord la contrainte dans une seule couche, puis en double couche, une triple couche et ainsi de suite, les chercheurs ont découvert comment la contrainte dans le film d'aluminium changeait après le dépôt de chaque nouvelle couche. Pour faire ça, ils ont déterminé à quel point le substrat de silicium s'est déformé en raison de cette contrainte. Et ce faisant, ils ont étonnamment établi que la contrainte dans le film fluctuait d'environ 100 mégapascals à mesure qu'il s'épaississait. Par comparaison, la pression standard de l'atmosphère au niveau de la mer s'élève à environ 0,1 mégapascal.
Le film se dilate et se contracte, rechercher le minimum d'énergie
Le fondement de ce phénomène réside dans le fait que les électrons se comportent différemment dans un film mince de quelques couches atomiques que dans un film plus épais. Grâce à la mécanique quantique, les particules élémentaires sont décrites non seulement comme des particules, mais aussi des vagues. Étant donné que l'épaisseur des films de quelques couches atomiques n'est que légèrement supérieure à la longueur d'onde des électrons, les électrons « sentent » les limites du film. Ce confinement dit quantique réduit fortement la flexibilité des électrons à absorber et à libérer de l'énergie. Les électrons n'occupent donc que des états d'énergie discrets.
L'énergie des électrons fluctue avec l'épaisseur du film qui augmente continuellement. Il augmente d'abord avec l'épaisseur, puis diminue, augmente à nouveau, etc. Le principe qui s'applique ici est que tout sera fait pour minimiser l'énergie du système. Le film recherche des épaisseurs pour lesquelles l'énergie électronique est la plus faible possible, c'est-à-dire les minima de cette fluctuation. Si le film s'épaissit d'une nouvelle couche d'atomes, il est soit un peu trop épais, soit trop fin pour ce minimum. Dans le premier cas, il contracte, dans ce dernier cas, il se dilate pour atteindre l'énergie minimale.
Les propriétés des films ultrafins peuvent désormais être mieux adaptées
L'expansion ou la contraction de l'épaisseur du film fait que le réseau atomique parallèle au film veut se dilater ou se contracter, respectivement. Parce qu'il ne peut pas le faire en raison de sa connexion fixe au substrat, une contrainte de traction ou de compression se développe dans le film que les chercheurs ont mesuré. Lorsque l'épaisseur du film a été augmentée à cinq couches atomiques, il contracte, et à sept couches atomiques, il s'élargit. Pour expliquer les contraintes mesurées, les chercheurs de Stuttgart ont développé un modèle combinant la théorie des électrons libres et la loi de Hooke, comme on le sait, qui décrit le comportement élastique des corps solides.
Les chercheurs voient de nombreuses applications potentielles pour leur découverte. « Mieux on comprend comment se développent les contraintes dans un film épaississant, mieux on peut contrôler sa croissance et éviter les défauts de maille, " dit David Flötotto. De plus, la contrainte mécanique dans un film mince influence son électrique, propriétés optiques et magnétiques. "De telles propriétés peuvent désormais être mieux adaptées aux films ultrafins, " Flötotto en est convaincu. Les mesures de la contrainte peuvent également être utilisées pour déterminer très précisément l'épaisseur d'un film en croissance. On pourrait également exploiter l'effet notamment pour les capteurs de gaz très sensibles. la surface, l'état énergétique des électrons et donc les contraintes dans le film sont altérés.
L'équipe travaille maintenant à rendre l'effet viable également pour les films épais (de l'ordre de 100 nanomètres). "Nous travaillons en ce moment sur le gel de l'état de contrainte afin de contrôler également la contrainte dans un film plus épais, " dit Flötotto. Des propriétés comme sa stabilité mécanique peuvent ainsi être améliorées.
