Les chercheurs d'Argonne et de Brookhaven ont observé deux types de défauts se formant dans des nanofils individuels, représenté ici. Ces nanofils ont un diamètre plus petit qu'un cheveu humain. Crédit :Megan Hill/Université Northwestern
Dans une nouvelle étude, des chercheurs des laboratoires nationaux d'Argonne et de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) ont observé la formation de deux types de défauts dans des nanofils individuels, dont le diamètre est plus petit qu'un cheveu humain.
Ces nanofils, en arséniure d'indium et de gallium, pourrait être utile pour un large éventail d'applications dans un domaine que les scientifiques ont appelé l'optoélectronique, qui englobe les dispositifs qui fonctionnent en convertissant l'énergie lumineuse en impulsions électriques. Les relais à fibre optique en sont un bon exemple.
"Nous devons juste nous approcher suffisamment pour toucher quelque part sur la cible; nous n'avons pas à diviser la flèche proverbiale." — Stéphan Hruskewycz, Scientifique des matériaux d'Argonne
L'efficacité de ces appareils, cependant, peuvent être affectés par de minuscules défauts dans leurs composants. Ces défauts, qui peuvent modifier à la fois les propriétés optiques et électroniques de ces matériaux, intéresser les scientifiques qui cherchent à les adapter pour booster les fonctionnalités de l'optoélectronique du futur, y compris des matériaux qui seront capables de manipuler l'information quantique.
Dans l'étude, l'équipe, qui impliquait également des collaborateurs de la Northwestern University et de deux universités européennes, ont observé deux types de défauts dans un seul nanofil. Le premier type de défaut, causé par la tension, affecte l'ensemble du nanofil, l'empêchant de pousser parfaitement droit. Le deuxième type de défaut, appelé un défaut d'empilement, se produit près du niveau atomique, car des plans d'atomes individuels sont posés pour allonger le nanofil.
"Pour visualiser la différence entre les défauts d'empilement et les déformations, vous pouvez penser à mélanger un jeu de cartes, " a déclaré le scientifique des matériaux d'Argonne, Stephan Hruszkewycz, un auteur de l'étude. "Un défaut d'empilement se produit lorsqu'une carte du jeu est mélangée de manière imparfaite, comme si deux cartes provenaient de la main droite avant qu'une ne puisse venir de la gauche."
Souche, Hruszkewycz a expliqué, "On dirait qu'une tour de jeux de cartes était inclinée dans une certaine direction au lieu de se tenir parfaitement droite."
Parce que les défauts d'empilement et les contraintes se produisent à des échelles si différentes, comprendre comment ils interagissent pour modifier les caractéristiques d'un nanofil nécessite que les scientifiques utilisent une technologie d'imagerie sophistiquée et des algorithmes mathématiques complexes.
Les chercheurs ont utilisé cet instrument pour observer les défauts des nanofils discutés dans cette étude. Il est conçu pour offrir de nouvelles capacités de rayons X qui rapprochent les chercheurs de l'objectif d'observation des matériaux à une résolution nanométrique. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
En utilisant une technique appelée ptychographie de Bragg pour observer les défauts, les chercheurs d'Argonne ont créé une méthode qu'ils pourraient utiliser pour voir le nanofil dans son environnement d'exploitation.
"Nous avons développé une technique qui nous permet d'étudier la structure locale réelle dans le matériau, " a déclaré Hruszkewycz. " Cela nous permettra de faire des comparaisons précieuses avec les théories que les gens ont proposées qui décrivent comment ces défauts pourraient affecter non seulement le nanofil, mais l'ensemble de l'appareil dont il fait partie."
"La méthode fournit un chaînon manquant entre la structure des défauts à l'échelle nanométrique et les variations de déformation sur des échelles de longueur plus longues qui nous permettront de mieux contrôler les propriétés optoélectroniques des nanofils, ", a déclaré Lincoln Lauhon, professeur de science des matériaux à la Northwestern University.
Dans la ptychographie de Bragg, les chercheurs projettent un faisceau de rayons X sur une série de points qui se chevauchent sur tout le matériau, comme un machiniste déplaçant lentement un projecteur sur une scène. Les informations produites par la diffusion des rayons X par les atomes donnent aux chercheurs une vue tridimensionnelle du matériau à une résolution proche de l'atome. Les chercheurs ont utilisé la technique à la nanosonde à rayons X durs de Brookhaven à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science.
"Beamline 3-ID est capable de produire un faisceau nanofocalisé cohérent, il est donc bien adapté à la reconstruction d'images grâce à des techniques telles que la ptychographie de Bragg, " a déclaré Yong Chu, scientifique en chef de la ligne de lumière de Brookhaven, un auteur de l'étude. "Cette collaboration a été extrêmement précieuse pour faire progresser les capacités de ptychographie de Bragg au NSLS-II, ainsi que notre compréhension des nanofils."
Les scientifiques ont récemment amélioré les algorithmes qui génèrent cette image, une amélioration qui a radicalement changé le processus de collecte d'informations radiographiques. Au lieu d'avoir à utiliser une approche basée sur une grille point par point comme cela a été fait dans les études ptychographiques précédentes, Hruszkewycz et ses collaborateurs pourraient déplacer leur faisceau de rayons X plus librement, recueillir des informations utiles sur l'ensemble de leur échantillon. "C'est comme au lieu de faire une danse en ligne très simple et répétitive, tout ce que nous avons à faire est de nous assurer que nous plaçons nos pieds sur chaque partie de la piste de danse à un moment ou à un autre, " il a dit.
Cette flexibilité présente un autre avantage :elle permet aux chercheurs d'éclairer des éléments plus petits en utilisant une taille de spot plus petite, grâce en grande partie aux plaques de zone à rayons X fabriquées par Michael Wojcik, un physicien à la source avancée de photons d'Argonne. Ces plaques de zone sont une optique diffractive qui se compose de plusieurs anneaux radialement symétriques, appelées zones, qui alternent entre opaque et transparent. Ils sont espacés de sorte que la lumière transmise par les zones transparentes interfère de manière constructive au foyer souhaité.
"Quand nous essayons d'atteindre notre cible, nous n'avons pas besoin d'être Robin des Bois, " a déclaré Hruszkewycz. "Nous devons juste nous approcher suffisamment pour toucher quelque part sur la cible; nous n'avons pas à diviser la flèche proverbiale."
Un article basé sur l'étude, « Mesure de la déformation tridimensionnelle et des défauts structurels dans un seul nanofil d'InGaAs à l'aide d'une ptychographie cohérente de projection de Bragg multiangle aux rayons X, " paru dans l'édition en ligne du 18 janvier de Lettres nano .
