Qui devinerait que percer le mystère de la façon dont les atomes infiniment petits s'arrangent aux bords des cristaux dans des matériaux avancés pourrait être aussi simple qu'un, deux, Trois?

La modélisation de la structure moléculaire de la surface d'un cristal nécessite normalement des ordinateurs puissants, mais les ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont mis au point une méthode beaucoup plus simple, aussi simple que de compter avec un crayon et du papier.

La stratégie simple pourrait aider à créer des puces informatiques ultrarapides basées sur des matériaux autres que le silicium.

"Nous avons été surpris de découvrir que c'était, En réalité, si simple, " dit Jason Kawasaki, un professeur UW-Madison de science et d'ingénierie des matériaux. "Avec quelques petites modifications, nous pouvions prédire des structures qui étaient quantitativement très précises."

Ils étaient si précis que sa nouvelle approche de prédiction, publié le 1er juin 2018 dans la revue Avancées scientifiques , propose une procédure simple et rapide pour se concentrer sur des matériaux prometteurs à utiliser dans l'électronique de pointe, tels que les ordinateurs quantiques, qui résolvent les problèmes beaucoup plus rapidement que les machines conventionnelles à base de silicium.

"Avant de pouvoir utiliser les matériaux de manière intéressante pour les appareils de nouvelle génération, vous devez comprendre comment la structure change à la surface, " dit Kawasaki.

Prédire avec précision les structures de surface cristalline est un problème qui a longtemps tourmenté les scientifiques. Les atomes au bord d'un matériau ont tendance à se réarranger, perdant parfois leurs propriétés électroniques ou magnétiques.

Kawasaki et ses collègues se sont concentrés sur un type de matériaux appelés composés semi-Heusler, qui ont plusieurs propriétés électroniques et magnétiques accordables. Malheureusement, de nombreux demi-Heusler ne fonctionnent pas comme prévu lorsqu'ils sont associés à d'autres matériaux ou réduits à une surface plane.

"Quand vous avez de petits réarrangements d'atomes, vous pouvez avoir de gros changements de propriétés, " dit Kawasaki.

Tous les matériaux sont constitués d'atomes, qui ont des noyaux en leurs centres entourés de nuages ​​​​en constante évolution de minuscules particules subatomiques appelées électrons. Les atomes peuvent se relier, ou caution, en partageant certains de leurs électrons entre eux. Les cristaux sont constitués de nombreux atomes liés les uns aux autres selon un motif régulier et répétitif. Ce modèle se brise, cependant, aux surfaces ou interfaces cristallines, laissant des atomes sans partenaires et des électrons non partagés suspendus au matériau en vrac.

Dans les intérieurs rigides des cristaux, des simulations sophistiquées peuvent déterminer des arrangements atomiques, mais les ordinateurs ont besoin des meilleures estimations initiales des configurations pour créer des prédictions structurelles.

Pendant longtemps, les meilleures suppositions à la surface étaient impossibles à trouver car la présence d'électrons pendants fait monter en flèche le nombre de conformations possibles.

"Les bons outils et le bon cadre théorique n'existaient pas, " dit Kawasaki.

Le bon cadre théorique s'est avéré étonnamment simple, régies par les règles de base de la chimie. Il suffit de compter tous les électrons que chaque atome apporte à la surface, compter tous les électrons prévus pour être dans les liaisons, et déterminez si ces chiffres correspondent. Lorsque tous les électrons sont pris en compte, la structure est susceptible d'être stable. Si non, c'est de retour à la planche à dessin.

Le comptage est si simple que Kawasaki peut littéralement utiliser un crayon et du papier pour effectuer des calculs.

On sait que les règles de comptage fonctionnent bien pour les matériaux simples. Cependant, les scientifiques ont supposé que les nuages ​​d'électrons pour les atomes métalliques qui composent les matériaux semi-Heusler étaient trop compliqués pour une comptabilité aussi basique.

Kawasaki et ses collègues ont prouvé que cette notion était fausse.

« Nous avons constaté que de nombreuses règles générales qui ont été développées pour comprendre la liaison dans des systèmes simples peuvent être mappées sur ces matériaux plus complexes, " dit Kawasaki.

En utilisant cette approche, Kawasaki et ses collègues ont prédit et confirmé la configuration de surface d'un important matériau demi-Heusler appelé cobalt titane antimoine, qui est un semi-conducteur potentiellement utile. Les chercheurs ont mesuré la surface du cristal avec des techniques d'imagerie avancées, notant que leurs prédictions crayon-papier correspondaient parfaitement aux configurations atomiques réelles.

Les chercheurs ont ensuite appliqué leur méthode à deux autres composés demi-Heusler, un semi-métal et un ferromagnétique, et ils prévoient d'identifier des matériaux plus prometteurs.

Kawasaki a réalisé les expériences de croissance cristalline et de mesure en collaboration avec Chris Palmstrøm, membre du corps professoral en génie électrique et informatique et en science des matériaux à l'Université de Californie, Santa Barbara.