De nombreux dispositifs semi-conducteurs de la technologie moderne - des circuits intégrés aux cellules solaires et aux LED - sont basés sur des nanostructures. La production de matrices de nanostructures régulières nécessite généralement des efforts substantiels. S'ils étaient auto-organisés, la production de tels dispositifs serait considérablement plus rapide et les coûts diminueraient donc. Dr Stefan Facsko du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et Dr Xin Ou du Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), Académie chinoise des sciences, ont maintenant démontré une méthode d'auto-organisation de réseaux nanostructurés via une large irradiation par faisceau d'ions. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Nanoéchelle .

Dans leur étonnante méthode, les chercheurs utilisent des faisceaux d'ions, qui sont rapides, atomes chargés électriquement. Ils dirigent un large faisceau d'ions de gaz noble sur une plaquette d'arséniure de gallium, lequel, par exemple, est utilisé dans la production de transistors à grande vitesse et à haute fréquence, photocellules ou diodes électroluminescentes. « On pourrait comparer le bombardement ionique au sablage. Cela signifie que les ions se détachent de la surface de la cible. Là, les nanostructures souhaitées sont créées toutes seules, " explique le Dr Facsko. La structure finement ciselée et régulière rappelle les dunes de sable, structures naturelles créées par le vent. Tout se passe, cependant, dans un nano-domaine, avec une simple distance de cinquante nanomètres entre deux dunes, des mèches de cheveux humains sont deux mille fois plus épaisses.

Bombardement ionique à température élevée

À température ambiante, cependant, le faisceau d'ions détruit la structure cristalline de l'arséniure de gallium et donc ses propriétés semi-conductrices. Le groupe du Dr Facsko au Ion Beam Center du HZDR profite donc de l'occasion pour chauffer l'échantillon pendant le bombardement ionique. A environ quatre cents degrés Celsius, les structures détruites se rétablissent rapidement.

Un autre effet garantit que les nano-dunes sur la surface du semi-conducteur se développent. Les ions en collision ne déplacent pas seulement les atomes qu'ils frappent, mais aussi éliminer complètement les atomes individuels de la structure cristalline. Comme l'arsenic volatil ne reste pas lié à la surface, la surface n'est bientôt plus constituée que d'atomes de gallium. Afin de compenser les liaisons atomiques d'arsenic manquantes, des paires de deux atomes de gallium se forment, qui se rangent en longues rangées. Si le faisceau d'ions assomme d'autres atomes à côté d'eux, les paires de gallium ne peuvent pas descendre la marche qui a été créée car les températures sont trop basses pour que cela se produise. C'est ainsi que les longues rangées de paires de gallium forment des nano-dunes après une période de temps, dans lequel plusieurs longues paires de lignes se trouvent côte à côte.

De nombreuses expériences à différentes températures et des calculs complets ont été nécessaires à la fois pour préserver l'état cristallin du matériau semi-conducteur et pour produire des structures bien définies à l'échelle nanométrique. Le Dr Facsko du HZDR dit :« La méthode d'épitaxie inverse fonctionne pour divers matériaux mais est encore dans sa phase de recherche fondamentale. Parce que nous utilisons des ions particulièrement basse énergie - sous 1 kilovolt -, qui peuvent être générés à l'aide de méthodes simples, nous espérons pouvoir montrer la voie à une mise en œuvre industrielle. La fabrication de structures similaires avec des méthodes de pointe actuelles nécessite beaucoup plus d'efforts."