Dans le nanomonde, de minuscules particules d'or peuvent fonctionner comme des souffleuses à neige, barattage à travers les couches de surface d'une classe importante de semi-conducteurs pour creuser des chemins infailliblement rectilignes. La capacité de creusement surprenante, rapportés par des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) et d'IBM, est un ajout important à la boîte à outils de méthodes « d'auto-assemblage » fournies par la nature que les chercheurs visent à exploiter pour fabriquer des dispositifs utiles.

Les applications prévisibles incluent l'intégration de lasers, capteurs, des guides d'ondes et d'autres composants optiques dans des dispositifs dits de laboratoire sur puce maintenant utilisés pour le diagnostic de maladies, criblage de matériel expérimental et de médicaments, ADN forensique et plus encore. Facile à contrôler, le nouveau processus catalysé par l'or pour créer des modèles de canaux avec des dimensions nanométriques pourrait aider à engendrer des technologies entièrement nouvelles façonnées à partir d'ensembles de structures ultra-petites.

Les résultats préliminaires de la recherche qui ont commencé comme des citrons - une défaillance causée par un contaminant qui a entravé la formation attendue de nanofils - se sont finalement transformés en limonade lorsque les images au microscope électronique à balayage ont révélé de longs, canaux droits.

"Nous avons été déçus, en premier, ", explique Babak Nikoobakht, chimiste de recherche du NIST. "Ensuite, nous avons compris que l'eau était le contaminant du processus, un problème qui s'est avéré être une bonne chose."

C'est parce que, comme déterminé dans des expériences ultérieures, l'ajout de vapeur d'eau a servi à transformer des nanoparticules d'or en creuseurs de canaux, plutôt que les fabricants de fils attendus. En commençant par des études sur le phosphure d'indium semi-conducteur, l'équipe a découvert les mécanismes chimiques et les conditions nécessaires à la base du processus de gravure de surface.

D'abord, ils ont modelé la surface du semi-conducteur en le recouvrant sélectivement d'une couche d'or de quelques nanomètres d'épaisseur seulement. Lors du chauffage, le film se brise en minuscules particules qui deviennent des gouttelettes. Le phosphure d'indium sous-jacent se dissout dans les nanoparticules d'or ci-dessus, créer un alliage d'or. Puis, de la vapeur d'eau chauffée est introduite dans le système. À des températures inférieures à 300 degrés Celsius (572 degrés Fahrenheit), les minuscules particules d'alliage d'or, maintenant enveloppé de molécules d'eau, graver des fosses à l'échelle nanométrique dans le phosphure d'indium.

Mais à 440 degrés Celsius (824 degrés Fahrenheit) et plus, de longs nanocanaux en forme de V se sont formés. Les canaux suivaient des chemins rectilignes dictés par le réseau d'atomes se répétant régulièrement dans le semi-conducteur cristallin. Pendant le processus, les atomes d'indium et de phosphore interagissent avec les atomes d'oxygène dans les molécules d'eau à la surface de la gouttelette d'alliage d'or. L'indium et le phosphore oxydés s'évaporent, et la goutte avance, ramasser plus d'atomes semi-conducteurs pour s'oxyder au fur et à mesure.

Le résultat est une série de bosquets cristallins. Les dimensions des rainures correspondent à la taille des gouttelettes, qui peut être contrôlé.

En effet, la gouttelette est l'équivalent chimique de la tarière d'une souffleuse à neige qui, au lieu de neige, creuse à travers la partie supérieure du semi-conducteur et éjecte les morceaux évaporés, Nikoobakht explique.

L'équipe a observé les mêmes phénomènes dans le phosphure de gallium et l'arséniure d'indium, deux autres exemples de semi-conducteurs formés en combinant des éléments des troisième et cinquième colonnes du tableau périodique. Les semi-conducteurs composés de cette classe sont utilisés pour fabriquer des LED, et pour les communications, électronique à grande vitesse et de nombreuses autres applications. Nikoobakht pense que, avec des ajustements, le processus de gravure pourrait également fonctionner pour créer des motifs de canaux sur du silicium et d'autres matériaux.

Contrôlable, rapide et flexible, le processus de fabrication de canaux "bottom up" est prometteur pour une utilisation à l'échelle industrielle, suggèrent les chercheurs. Dans leur article, les équipes décrivent comment elles ont utilisé le procédé pour graver des motifs de canaux creux comme ceux utilisés pour diriger le flux de liquides, comme un échantillon de sang, dans un dispositif microfluidique, ou en laboratoire sur puce.