(Phys.org)—En nanosciences, le but ultime est de concevoir de meilleurs matériaux et dispositifs en contrôlant les positions des atomes, molécules, et des amas moléculaires sur un substrat avec une précision exacte. Dans une nouvelle étude, des chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode pour contrôler les mouvements et les positions des amas d'atomes d'or sur un substrat isolant non seulement en utilisant la pointe d'un microscope comme cela se fait habituellement, mais aussi en utilisant des défauts de taille atomique dans le substrat lui-même. Le niveau de contrôle supplémentaire offert par les défauts pourrait s'avérer utile pour la construction de futurs nanodispositifs et nanomachines.

Les chercheurs, Teemu Hynninen, et al., des instituts de Finlande et de France, ont publié leur étude sur la manipulation de nanoclusters d'or en utilisant des défauts dans une surface de NaCl dans un récent numéro de Rapports scientifiques .

En 1990, les chercheurs ont d'abord démontré qu'ils pouvaient déplacer des atomes isolés en les poussant avec la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM). Mais si le déplacement d'atomes isolés peut être d'un grand intérêt fondamental, il est en fait plus pratique de pouvoir déplacer des clusters atomiques un peu plus gros.

"Pour de nombreuses applications, telles que la catalyse, les clusters ou les molécules sont plus pertinents que les atomes isolés, il est donc logique d'opérer sur des unités plus grandes que de simples atomes, " Hynninen, à l'Université d'Aalto et à l'Université de technologie de Tampere en Finlande, Raconté Phys.org . "Aussi, si vous voulez construire quelque chose de taille considérable (à l'échelle nanométrique), c'est plus facile si vous pouvez utiliser des blocs de construction plus gros. Bien sûr, vous ne produirez jamais rien avec la nanomanipulation, c'est beaucoup trop inefficace. La nanomanipulation est une technologie avec laquelle on peut concevoir des structures avec une précision absolue pour des études ultérieures."

Au cours des dernières années, les scientifiques ont démontré comment déplacer des amas atomiques à l'aide d'un microscope à force atomique sans contact (nc-AFM), qui fonctionne en raison d'une interaction répulsive qui se produit entre l'amas et la pointe lorsqu'ils ne sont séparés que de quelques angströms. Généralement, les amas atomiques peuvent être déplacés par une pointe sans contact de deux manières :en abaissant la pointe directement au-dessus de l'amas (ce que les chercheurs appellent ici « coup de pied »), et en déplaçant la pointe vers le cluster par le côté (ce que les chercheurs appellent ici "glissement").

Bien que le coup de pied et le glissement fournissent des moyens éprouvés de déplacer des amas atomiques, les deux méthodes sont limitées par la direction de balayage de la pointe. C'est-à-dire, la direction du mouvement de la grappe dépend de la position de la pointe.

Dans la nouvelle étude, les scientifiques ont démontré que, en profitant des défauts naturels du substrat sur lequel reposent les atomes, ils peuvent déplacer des amas atomiques d'une manière qui n'est pas complètement limitée par la position de la pointe. Comme les chercheurs l'expliquent dans leur article et dans la vidéo YouTube, un substrat NaCl peut avoir des défauts de lacunes dus à l'absence d'ions Na et d'ions Cl. Lorsque les chercheurs ont déposé des atomes d'or neutres uniques sur le substrat isolant de NaCl, ils ont observé que les lacunes agissent comme des sites de nucléation qui permettent aux atomes d'or et aux amas de se lier au substrat.

Les chercheurs ont découvert que les amas d'or se lient aux lacunes d'ions Na et aux lacunes d'ions Cl de différentes manières. Un amas se lie à une lacune d'ions Na le long de l'un des bords de l'amas de sorte qu'il s'oriente avec une rangée voisine d'ions Cl. Le mode de déplacement énergétiquement privilégié de l'amas est de glisser le long de la rangée d'ions Cl en ligne droite, parallèle au bord collé. En revanche, un cluster se lie à une lacune d'ions Cl à l'un des coins du cluster plutôt qu'à un bord. Ce cluster préfère se déplacer en pivotant autour de son coin collé, car il essaie constamment de se réorienter avec les ions voisins. Par conséquent, le cluster peut se déplacer en zigzag dans n'importe quelle direction.

Lorsque les chercheurs ont apporté un nc-AFM pour balayer la surface du haut et du côté, ils ont découvert qu'ils pouvaient déplacer des amas d'atomes d'or de 5 nm (environ 2000-2500 atomes) de différentes manières, selon le type de défaut auquel les grappes étaient liées. Sachant que les lacunes en ions Na sont le défaut dominant sur une partie du substrat appelée step-edges, et les lacunes en ions Cl sont plus fréquentes sur une partie appelée terrasse, les chercheurs ont pu attribuer les différents types de mouvements de clusters aux différents types de postes vacants. Les grappes sur les bords des marches se déplaçaient toujours en ligne droite dans une direction particulière, tandis que les grappes sur la terrasse pouvaient être facilement déplacées dans différentes directions.

Les contributions des défauts au mouvement des amas offrent aux scientifiques un moyen supplémentaire de manipuler les amas à l'aide d'un nc-AFM. Les chercheurs espèrent que ce mécanisme pourra être exploité pour construire des nanostructures et, dans un processus inverse, les mouvements des grappes pourraient être utilisés pour aider à identifier les types de défauts sur un substrat. Comme l'ont expliqué les chercheurs, il peut être possible de contrôler les défauts sur les substrats, et ainsi contrôler le mouvement des grappes.

"Pratiquement tous les matériaux ont des défauts comme des postes vacants, et souvent ils apparaissent aussi sur les surfaces, " Hynninen a déclaré. " Des défauts peuvent être créés ou supprimés par exemple par irradiation ou traitement thermique. Un exemple courant est l'irradiation des pierres précieuses, où la couleur des pierres précieuses est contrôlée en les exposant à l'irradiation. Le rayonnement crée des défauts dans les cristaux et ceux-ci affectent les propriétés optiques des pierres précieuses. En principe, on pourrait utiliser de telles méthodes pour contrôler les défauts et donc le mouvement des grappes. La manière exacte dont cela fonctionnerait dépend du substrat et des grappes. »

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