Comment apprenez-vous à connaître un matériau que vous ne pouvez pas voir?

C'est une question que les chercheurs qui étudient les nanomatériaux - des objets avec des caractéristiques à des échelles submicrométriques telles que les points quantiques, nanoparticules et nanotubes, cherchent à répondre.

Bien que des découvertes récentes, y compris une microscopie à super-résolution qui a remporté le prix Nobel en 2014, aient considérablement amélioré la capacité des scientifiques à utiliser la lumière pour en savoir plus sur ces objets à petite échelle, la longueur d'onde du rayonnement d'inspection est toujours beaucoup plus grande que l'échelle des nano-objets étudiés. Par exemple, les nanotubes et les nanofils - les éléments constitutifs des appareils électroniques de nouvelle génération - ont des diamètres des centaines de fois plus petits que ce que la lumière pourrait résoudre. Les chercheurs doivent trouver des moyens de contourner cette limitation physique afin d'atteindre une résolution spatiale inférieure à la longueur d'onde et d'explorer la nature de ces matériaux pour les futurs ordinateurs.

Aujourd'hui, un groupe de scientifiques—John A. Rogers, Eric Seabron, Scott MacLaren et Xu Xie de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign; Slava V. Rotkin de l'Université Lehigh; et, William L. Wilson de l'Université de Harvard, rendent compte de la découverte d'une méthode importante pour mesurer les propriétés des matériaux nanotubes à l'aide d'une sonde à micro-ondes. Leurs conclusions ont été publiées dans ACS Nano dans un article intitulé :"Scanning Probe Microwave Reflectivity of Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes:Imaging of Electronic Structure and Quantum Behavior at the Nanoscale."

Les chercheurs ont étudié des nanotubes de carbone à paroi unique. Ce sont des dimensions unidimensionnelles, nanomatériaux de type filaire qui ont des propriétés électroniques qui en font d'excellents candidats pour les technologies électroniques de prochaine génération. En réalité, le premier prototype d'un ordinateur à nanotubes a déjà été construit par des chercheurs de l'université de Stanford. L'IBM T.J. Le Watson Research Center développe actuellement des transistors à nanotubes à usage commercial.

Pour cette étude, les scientifiques ont développé une série de lignes de nanotubes parallèles, similaire à la façon dont les nanotubes seront utilisés dans les puces informatiques. Chaque nanotube mesurait environ 1 nanomètre de large, soit dix fois plus petit que prévu pour une utilisation dans la prochaine génération d'électronique. Pour explorer les propriétés du matériau, ils ont ensuite utilisé la microscopie à impédance micro-ondes (MIM) pour imager des nanotubes individuels.

« Bien que l'imagerie micro-ondes en champ proche offre un outil « non destructif » extrêmement polyvalent pour caractériser les matériaux, ce n'est pas un choix immédiatement évident, " a expliqué Rotkin, professeur titulaire d'un double poste au département de physique et au département de science et génie des matériaux de Lehigh. "En effet, la longueur d'onde du rayonnement utilisé dans l'expérience était encore plus longue que ce qui est généralement utilisé en microscopie optique - environ 12 pouces, qui est d'environ 100, 000, 000 fois plus gros que les nanotubes que nous avons mesurés."

Il a ajouté :« Le nanotube, dans ce cas, est comme une aiguille très brillante dans une très grande botte de foin."

La méthode d'imagerie qu'ils ont développée montre exactement où se trouvent les nanotubes sur la puce de silicium. Plus important, les informations fournies par le signal micro-onde des nanotubes individuels ont révélé quels nanotubes étaient et n'étaient pas capables de conduire le courant électrique. De façon inattendue, ils ont finalement pu mesurer la capacité quantique des nanotubes - une propriété tout à fait unique d'un objet du nano-monde - dans ces conditions expérimentales.

« Nous avons commencé notre collaboration en cherchant à comprendre les images prises par la microscopie micro-ondes et avons terminé en dévoilant le comportement quantique du nanotube, qui peut maintenant être mesuré avec une résolution atomistique, " dit Rotkin.

En tant qu'outil de contrôle ou technique de métrologie, cette approche pourrait avoir un impact considérable sur les technologies futures, permettant l'optimisation des stratégies de traitement, y compris la croissance évolutive de nanotubes enrichis, purification post-croissance, et la fabrication de meilleurs contacts de dispositifs. On peut maintenant distinguer, en une seule étape, entre les nanotubes semi-conducteurs utiles pour l'électronique et les nanotubes métalliques qui peuvent provoquer une panne d'un ordinateur. De plus, cet ensemble de modes d'imagerie met en lumière les propriétés quantiques de ces structures 1D.