(Phys.org) — Une nouvelle plateforme de recherche utilise un laser pour mesurer les propriétés « nanomécaniques » de minuscules structures soumises à des contraintes et à un échauffement, une approche susceptible de fournir des informations pour améliorer les conceptions de la microélectronique et des batteries.

Cette nouvelle technique, appelée spectroscopie Raman nanomécanique, révèle des informations sur la façon dont le chauffage et la contrainte de surface des structures microscopiques affectent leurs propriétés mécaniques. Les chercheurs ont discuté des mérites de l'influence de la contrainte de surface sur les propriétés mécaniques pendant des décennies. Cependant, la spectroscopie Raman nanomécanique a offert la première mesure de ce type, dit Vikas Tomar, professeur agrégé à l'École d'aéronautique et d'astronautique de Purdue.

Le stress de surface est similaire à la tension de surface qui permet aux petits insectes de marcher sur l'eau, rend les gouttes d'eau sphériques, et provoque la résistance initiale de la peau humaine à la pénétration d'une aiguille. Sur l'échelle relativement grande de l'ordinaire, machines de tous les jours, la contrainte de surface est négligeable, mais il devient critique pour les micro- et nanostructures, il a dit.

Les découvertes récentes sont potentiellement importantes car les structures de silicium mesurées à l'échelle du micromètre et du nanomètre constituent des composants essentiels des processeurs à semi-conducteurs, capteurs et une classe émergente de machines minuscules appelées systèmes microélectromécaniques.

« Le fonctionnement de ces appareils s'est avéré fortement affecté par leur température de fonctionnement, " Tomar a déclaré. "De tels appareils densément emballés génèrent une chaleur considérable pendant le fonctionnement. Cependant, jusqu'à présent, nous n'avons pas été en mesure de mesurer comment le chauffage et les contraintes de surface contribuent aux propriétés mécaniques."

Des informations sur la plate-forme et les nouveaux résultats de la recherche ont été détaillées dans trois articles publiés cette année. Le plus récent est paru le 15 août dans le Journal de physique appliquée . Tomar a dirigé les recherches avec l'ancien doctorant Ming Gan, qui a obtenu son diplôme et travaille maintenant dans l'industrie, et actuel doctorant Yang Zhang.

En spectroscopie Raman, un laser interagit avec le réseau cristallin vibrant des matériaux, fournir des informations sur la composition chimique des matériaux.

"Mais nous n'avons pas été en mesure d'intégrer les contraintes ou déformations in situ dans ces signatures chimiques, " a déclaré Tomar. " Maintenant, nous avons combiné des mesures nanomécaniques dans la spectroscopie Raman. "

Les chercheurs ont utilisé la technique pour étudier des porte-à-faux en silicium à l'échelle microscopique, de minuscules lamelles en forme de plongeoir d'environ 7 microns d'épaisseur, soit environ un dixième de l'épaisseur d'un cheveu humain, et 225 microns de long. Les porte-à-faux ont été chauffés et stressés simultanément. Les contraintes de surface à l'échelle micro et nanométrique ont été mesurées pour la première fois conjointement avec le changement de température et la déformation d'une structure.

Les résultats montrent que chauffer un porte-à-faux de 25 à 100 degrés Celsius tout en appliquant une contrainte à la structure provoque une augmentation spectaculaire de la vitesse de déformation, ou déformation.

Le chauffage réduit les forces de liaison entre les atomes à la surface des structures. La force de liaison inférieure entraîne un état «détendu» des atomes de surface ou proches de la surface qui progresse à mesure que la température augmente, entraînant des fissures et une défaillance de l'appareil.

"La clé est de pouvoir mesurer simultanément les propriétés thermiques et mécaniques car elles sont interdépendantes, et la contrainte de surface influence les propriétés mécaniques, " dit Tomar.

Les résultats sont potentiellement importants pour la mesure des composants dans les batteries afin d'étudier les contraintes car ils se dilatent et se contractent constamment pendant les cycles de charge-décharge. Les capteurs ordinaires sont incapables de résister aux conditions difficiles à l'intérieur des batteries.

Cependant, parce que la spectroscopie Raman utilise un laser pour effectuer des mesures, il n'a pas besoin d'être attaché aux batteries, rendant possible un nouveau type de capteur supprimé des conditions difficiles à l'intérieur des batteries.

"Si vous n'avez pas besoin de capteurs embarqués, vous pouvez aller dans des environnements extrêmes, ", a-t-il déclaré. "Vous pouvez apprendre comment les contraintes évoluent afin que nous puissions concevoir de meilleures batteries."

Une telle technologie pourrait également être importante pour le développement de matériaux composites ultra-résistants qui imitent ceux trouvés chez certains animaux marins capables de survivre dans les conditions extrêmes rencontrées dans les cheminées hydrothermales du fond océanique. Un obstacle est de surmonter les contraintes qui se produisent aux interfaces des différentes couches au sein des matériaux composites.

"Ces matériaux cassent toujours aux interfaces, " a déclaré Tomar. " Maintenant, nous pouvons comprendre que le matériau se déforme comment les contraintes d'interface se développent, et cela nous permettra de prévoir comment les modifier."