Zones de capture (CZ) construites pour entourer des îles 2D (rectangles noirs) formées par dépôt sur une surface parfaite. Les limites CZ sont indiquées par des lignes fines. Les CZ couvrent ou tesselent complètement la surface avec un CZ par îlot. Une petite CZ formée directement par la nucléation d'une nouvelle île près du centre d'un triangle d'îles existantes est représentée en jaune. Une autre petite CZ formée par l'encerclement de l'îlot central est représentée en bleu. L'encart inférieur montre comment la nucléation d'une nouvelle île (au X) modifie la distribution CZ. L'encart supérieur montre la distribution des zones CZ à l'échelle. Crédit :Yong Han, Maozhi Li et James W. Evans
Des scientifiques de l'Iowa State University ont développé une nouvelle formulation qui aide à expliquer l'auto-assemblage d'atomes en nanoclusters et à faire progresser la compréhension scientifique des nanotechnologies associées. Leur recherche offre un cadre théorique pour expliquer la relation entre la répartition des « zones de capture, « les régions qui entourent les « îlots » nanométriques formés par dépôt sur des surfaces, et le processus de nucléation ou de formation sous-jacent.
La nanotechnologie implique la science et l'ingénierie à la taille d'un nanomètre, ou un milliardième de mètre. Il a été au cœur du développement d'innovations telles que les panneaux solaires à couche mince, des batteries améliorées et des capteurs à moindre coût.
L'auto-assemblage d'atomes en nanoclusters est un sujet d'intérêt important pour les nanotechnologues car il offre le potentiel de créer des systèmes nanostructurés avec des propriétés magnétiques améliorées, propriétés catalytiques et plasmoniques qui ont de nombreuses applications industrielles.
"Si vous avez la possibilité de contrôler ces processus d'auto-assemblage pour diriger la morphologie et l'agencement spatial de ces nanostructures, alors vous pouvez améliorer les propriétés qui vous intéressent, " a déclaré James W. Evans, professeur de physique à l'Iowa State University.
Evans et son équipe, qui ont été financés par la National Science Foundation, détailler leur approche cette semaine dans Le Journal de Physique Chimique .
Alors que la communauté des sciences physiques avait auparavant considéré la distribution de la taille des îlots nucléés lors de l'auto-assemblage des atomes déposés, des discussions plus récentes ont porté sur la répartition des zones de capture des îles. Evans et ses collaborateurs se sont concentrés sur l'élaboration d'une base théorique pour comprendre comment les petites zones de capture se développent. Leur développement a des implications importantes pour déterminer la taille qu'une île nucléée doit atteindre pour devenir stable. Leur analyse combine des équations de taux avec des éléments de géométrie stochastique.
L'une des nombreuses idées importantes qui ont émergé de leurs recherches était l'importance de l'emplacement spatial des événements de nucléation par rapport aux zones de capture et aux îles existantes dans la formation de nouvelles, zones de capture plus petites.
"Si vous nucléez en plein milieu d'un triplet d'îles beaucoup plus rapprochées que ce qui est typique, la zone de capture de la nouvelle île créée est beaucoup plus petite que la taille moyenne, " a déclaré Evans. Pour souligner cette relation de la façon dont la taille des zones de capture et leur distribution résultante pourraient être affectées par la nucléation, leurs travaux montrent comment la taille des zones de capture et leur distribution résultante pourraient être affectées par la nucléation.
Evans et son équipe ont inclus une étude théorique sur la distribution des zones de capture (CZD) des îles compactes, y compris une dérivation d'une équation pour la fonction d'échelle de la distribution des zones de capture. En plus des résultats théoriques, les auteurs ont inclus des résultats de simulation utilisant Kinetic Monte Carlo pour confirmer les prédictions de la distribution des îles et du comportement de mise à l'échelle, obtenir en général un bon accord entre les résultats théoriques et numériques. Les formulations d'Evans et de ses collègues soulignent l'importance des détails spatiaux subtils du processus de nucléation, et en particulier des quantités liées telles que les probabilités de chevauchement intrinsèque et la distribution de chevauchement fractionnaire. Ces quantités ont reçu une attention limitée dans le passé mais leur forme détaillée est importante car elle impacte celle de la CZD.
L'un des enjeux de cette recherche est qu'elle est centrée sur un système loin de l'équilibre, qui défie la plupart des méthodes analytiques conventionnelles utilisées par les physiciens.
"Le fait qu'il s'agisse d'un système loin de l'équilibre signifie qu'il n'y a pas d'outils théoriques standard que vous pouvez appliquer pour analyser le processus, " expliqua Evans.
Toujours, avec des simulations approfondies qui reflètent les expériences de dépôt généralement menées dans des chambres à ultravide, Evans et son équipe ont réussi à développer un cadre pour expliquer comment des zones de capture plus petites sont générées. Les scientifiques espèrent que leurs travaux inciteront d'autres chercheurs à examiner également la question de la répartition des zones de capture, car les informations collectives générées feront progresser la compréhension de la communauté scientifique au sens large sur la façon dont les nanoclusters s'assemblent.
