Des chercheurs en microscopie électronique du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont mis au point un moyen unique de construire des structures 3D avec des formes finement contrôlées aussi petites qu'un à deux milliardièmes de mètre.

L'étude ORNL publiée dans la revue Petit montre comment les microscopes électroniques à transmission à balayage, normalement utilisé comme outils d'imagerie, sont également capables de sculpter avec précision des caractéristiques 3D de taille nanométrique dans des matériaux d'oxyde complexes.

En offrant une précision de plan atomique unique, la technique pourrait trouver des utilisations dans la fabrication de structures pour des dispositifs fonctionnels à l'échelle nanométrique tels que des micropuces. Les structures croissent par épitaxie, ou en parfait alignement cristallin, ce qui garantit que les mêmes propriétés électriques et mécaniques s'étendent dans tout le matériau.

"On peut faire des choses plus petites avec des formes plus précises, " a déclaré Albina Borisevich de l'ORNL, qui a dirigé l'étude. « Le processus est également épitaxié, ce qui nous donne un contrôle beaucoup plus prononcé sur les propriétés que ce que nous pourrions accomplir avec d'autres approches."

Les scientifiques de l'ORNL sont tombés sur la méthode alors qu'ils imaginaient un film mince de titanate de strontium imparfaitement préparé. L'échantillon, constitué d'un substrat cristallin recouvert d'une couche amorphe du même matériau, transformé lorsque le faisceau d'électrons le traverse. Une équipe de l'Institut d'imagerie fonctionnelle des matériaux de l'ORNL, qui réunit des scientifiques de différentes disciplines, travaillé ensemble pour comprendre et exploiter la découverte.

"Lorsque nous avons exposé la couche amorphe à un faisceau d'électrons, nous avons semblé le pousser vers l'adoption de son état cristallin préféré, " a déclaré Borisevich. " Il le fait exactement là où se trouve le faisceau d'électrons. "

L'utilisation d'un microscope électronique à balayage à transmission, qui fait passer un faisceau d'électrons à travers un matériau en vrac, distingue l'approche des techniques de lithographie qui ne font que modeler ou manipuler la surface d'un matériau.

"Nous utilisons un contrôle fin du faisceau pour construire quelque chose à l'intérieur du solide lui-même, " a déclaré Stephen Jesse de l'ORNL. "Nous effectuons des transformations profondément enfouies dans la structure. Ce serait comme creuser un tunnel à l'intérieur d'une montagne pour construire une maison."

La technique offre un raccourci aux chercheurs intéressés à étudier comment les caractéristiques des matériaux changent avec l'épaisseur. Au lieu d'imager plusieurs échantillons de différentes largeurs, les scientifiques pourraient utiliser la méthode de microscopie pour ajouter des couches à l'échantillon et observer simultanément ce qui se passe.

"La prémisse de la nanoscience est que parfois, lorsque vous rétrécissez un matériau, il présente des propriétés très différentes de celles du matériau en vrac, " Borisevich a déclaré. "Ici, nous pouvons contrôler cela. Si nous savons qu'il y a une certaine dépendance à la taille, nous pouvons déterminer exactement où nous voulons être sur cette courbe et y aller."

Des calculs théoriques sur le supercalculateur Titan de l'ORNL ont aidé les chercheurs à comprendre les mécanismes sous-jacents du processus. Les simulations ont montré que le comportement observé, connu sous le nom de processus d'entraînement, est compatible avec le fait que le faisceau d'électrons transfère de l'énergie à des atomes individuels dans le matériau plutôt que de chauffer une zone du matériau.

"Avec le faisceau d'électrons, nous injectons de l'énergie dans le système et nous poussons là où il irait autrement par lui-même, suffisamment de temps, " Borisevich a déclaré. " Thermodynamiquement, il veut être cristallin, mais ce processus prend beaucoup de temps à température ambiante."

L'étude est publiée sous le titre "Sculpture au niveau atomique des oxydes cristallins :vers la nanofabrication en vrac avec une seule précision de plan atomique".