Nick Meloch, professeur associé au SLAC et à Stanford, détient un modèle de diamantoïde. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Ils sonnent comme des armes futuristes, mais les canons à électrons sont en fait des outils de pointe pour la recherche et l'industrie :ils émettent des flux d'électrons pour les microscopes électroniques, équipement de modelage de semi-conducteurs et accélérateurs de particules, pour ne citer que quelques utilisations importantes.
Aujourd'hui, des scientifiques de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du Department of Energy ont trouvé comment augmenter ces flux d'électrons 13, 000 fois en appliquant une seule couche de diamantoïdes - minuscules, cages de diamant parfaites - à la pointe d'or pointue d'un canon à électrons.
Les résultats, publié aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie , suggèrent une toute nouvelle approche pour augmenter la puissance de ces appareils. Ils permettent également de concevoir d'autres types d'émetteurs d'électrons avec une précision atome par atome, dit Nick Melosh, un professeur agrégé au SLAC et à Stanford qui a dirigé l'étude.
Les diamantoïdes sont des cages imbriquées constituées d'atomes de carbone et d'hydrogène. Ce sont les plus petits morceaux de diamant possibles, chacun pesant moins d'un milliardième de milliardième de carat. Cette petite taille, avec leur rigide, structure robuste et haute pureté chimique, leur donner des propriétés utiles qui manquent aux plus gros diamants.
Le SLAC et Stanford sont devenus l'un des principaux centres mondiaux de recherche sur les diamantoïdes. Les études sont réalisées au travers du SIMES, l'Institut des sciences des matériaux et de l'énergie de Stanford, et un laboratoire du SLAC est consacré à l'extraction des diamantoïdes du pétrole.
En 2007, une équipe dirigée par bon nombre des mêmes chercheurs du SIMES a montré qu'une seule couche de diamantoïdes sur une surface métallique pouvait émettre et focaliser des électrons en un minuscule faisceau avec une plage d'énergies très étroite.
L'équipe de recherche a utilisé de minuscules nanopiliers de fil de germanium comme substituts pour les pointes de canons à électrons dans des expériences visant à améliorer l'émission d'électrons. Cette image a été réalisée avec un microscope électronique à balayage - l'un des nombreux appareils qui utilisent des électrons émis. Crédit :Karthik Narasimha/Stanford
La nouvelle étude a examiné si un revêtement diamantoïde pouvait également améliorer les émissions des canons à électrons.
Une façon d'augmenter la puissance d'un canon à électrons est de rendre la pointe vraiment tranchante, ce qui facilite la sortie des électrons, dit Meloch. Mais ces pointes acérées sont instables; même de minuscules irrégularités peuvent affecter leurs performances. Les chercheurs ont essayé de contourner ce problème en enduisant les pointes de produits chimiques qui augmentent l'émission d'électrons, mais cela peut être problématique car certains des plus efficaces s'enflamment lorsqu'ils sont exposés à l'air.
Pour cette étude, les scientifiques ont utilisé de minuscules nanopiliers de fil de germanium pour remplacer les pointes des canons à électrons. Ils ont recouvert les fils d'or puis de diamantoïdes de différentes tailles.
Des nanopiliers de germanium ont été recouverts d'or puis de diamantoïdes de différentes tailles. Les scientifiques ont obtenu les meilleurs résultats en enduisant les piliers de molécules diamantoïdes constituées de quatre « cages » ; cela a augmenté l'émission d'électrons des pointes 13, 000 fois. Crédit :Karthik Narasimha/Stanford
Lorsque les scientifiques ont appliqué une tension aux nanofils pour stimuler la libération d'électrons par les pointes, ils ont découvert qu'ils obtenaient les meilleurs résultats avec des pointes recouvertes de diamantoïdes qui se composent de quatre « cages ». Ceux-ci ont publié un énorme 13, 000 fois plus d'électrons que des pointes d'or nues.
D'autres tests et simulations informatiques suggèrent que l'augmentation n'était pas due à des changements dans la forme de la pointe ou dans la surface d'or sous-jacente. Au lieu, il semble que certaines des molécules diamantoïdes de la pointe aient perdu un seul électron – on ne sait pas exactement comment. Cela a créé une charge positive qui a attiré les électrons de la surface sous-jacente et leur a permis de s'écouler plus facilement de la pointe, dit Meloch.
« La plupart des autres molécules ne seraient pas stables si vous supprimiez un électron ; elles s'effondreraient, " dit-il. " Mais la nature en forme de cage du diamantoïde le rend exceptionnellement stable, et c'est pourquoi ce processus fonctionne. Maintenant que nous comprenons ce qui se passe, nous pourrons peut-être utiliser ces connaissances pour concevoir d'autres matériaux qui sont vraiment bons pour émettre des électrons."
Structures diamantoïdes testées dans l'expérience ; les deux en bas, qui se composent de quatre « cages » avec des atomes de carbone à chaque coin, produit les gains les plus importants en émission d'électrons. Les étiquettes chimiques au bas de chaque molécule ont été ajoutées pour aider les diamantoïdes à coller à la surface en or des nanopiliers. Crédit :Karthik Narasimha/Stanford
Les chercheurs du SIMES Nick Melosh, la gauche, et Jeremy Dahl dans un laboratoire de Stanford avec un équipement utilisé pour effectuer des expériences sur les diamantoïdes. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
