Cette image montre des nanofils de silicium développés au microscope. Les zones sombres sont les catalyseurs - les gouttelettes liquides d'un composé or-silicium - qui provoquent la croissance des nanofils. Crédit :Frances Ross et Rapports sur les progrès de la physique / Éditions IOP.
Le professeur Frances Ross a rejoint le département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT cet automne après une carrière de développement de techniques qui sondent les réactions des matériaux pendant qu'elles se produisent. Anciennement au IBM Thomas J. Watson Research Center à Yorktown Heights, New York, Ross apporte au MIT son expertise dans l'application de la microscopie électronique à transmission pour comprendre comment les nanostructures se forment en temps réel et en utilisant les données de ces films pour développer de nouvelles structures et voies de croissance.
Q :Quelles informations tirons-nous de l'observation en temps réel de structures cristallines à l'échelle nanométrique qui ont été manquées lorsque l'observation se limitait à analyser les structures uniquement après leur formation ?
A : Enregistrer un film sur quelque chose qui grandit, plutôt que des images avant et après croissance, présente de nombreux avantages intéressants. Le film nous donne une vue continue d'un processus, qui montre l'évolution complète. Cela peut inclure des informations détaillées comme le taux de croissance d'un nanocristal individuel. L'enregistrement d'une vue continue facilite la capture d'un événement de nucléation rapide ou d'une forme intermédiaire de très courte durée, ce qui peut souvent être assez inattendu. Le film nous donne également une fenêtre sur le comportement des matériaux dans des conditions de traitement réelles, éviter les changements qui se produisent généralement lorsque vous arrêtez la croissance pour vous préparer à l'analyse post-croissance. Et enfin, il est possible de faire pousser un seul objet puis de mesurer ses propriétés, comme la conductivité électrique d'un nanofil ou le point de fusion d'un nanocristal. Bien sûr, l'obtention de telles informations implique une plus grande complexité expérimentale, mais les résultats valent cet effort supplémentaire, et nous aimons vraiment concevoir et réaliser ces expériences.
Q :Quel sera votre rôle pour faire progresser ces techniques dans la nouvelle installation MIT.nano ?
A:MIT.nano a des chambres très calmes en bas. Les chambres sont conçues pour avoir une température stable et minimiser les vibrations et les champs électromagnétiques de l'environnement, y compris la ligne T à proximité [métro]. Notre plan est d'utiliser l'une de ces salles pour un nouveau microscope électronique unique. Il sera conçu pour des expériences de croissance impliquant des matériaux bidimensionnels :pas seulement le célèbre graphène mais d'autres également. Nous prévoyons d'étudier les réactions de croissance dans lesquelles des nanocristaux « conventionnels » (tridimensionnels) se développent sur des matériaux bidimensionnels, une étape nécessaire pour tirer pleinement parti des nouvelles opportunités intéressantes offertes par les matériaux bidimensionnels. Les réactions de croissance impliquant des matériaux bidimensionnels sont difficiles à étudier avec nos équipements existants car les matériaux sont endommagés par les électrons utilisés pour l'imagerie. Le nouveau microscope utilisera des électrons à plus basse tension et aura un vide poussé pour un contrôle précis de l'environnement et des capacités pour effectuer la croissance et d'autres processus utilisant des gaz réactifs. Ce microscope bénéficiera également aux études de croissance dans de nombreux autres matériaux. Mais toutes les expériences ne nécessitent pas un tel équipement de pointe, et nous prévoyons également de développer de nouvelles capacités, en particulier pour étudier les réactions dans les liquides, dans les microscopes qui fonctionnent déjà dans le bâtiment 13.
Q :Quelles technologies bénéficieront le plus immédiatement d'une observation améliorée de la formation de structures à l'échelle nanométrique ?
R :Je pense que toute nouvelle façon de considérer un matériau ou un processus a tendance à avoir un impact sur un domaine beaucoup plus large que vous ne l'imaginez au départ. Il a été très excitant de voir combien de domaines ont utilisé les opportunités offertes par ces types d'expérience de croissance. Les processus de croissance dans les liquides ont déjà sondé les catalyseurs en action, biominéralisation, la physique des fluides (comme les bulles nanométriques), corrosion, et des matériaux pour batteries rechargeables. Certains biologiques, géologique, ou les processus atmosphériques bénéficieront également à terme de ce type de microscopie. Les réactions de croissance impliquant des gaz sont particulièrement bien adaptées pour répondre aux questions de catalyse (encore), films minces et revêtements, traitement pour la microélectronique, structures utilisées dans l'éclairage à semi-conducteurs, et une variété d'autres domaines technologiques. Notre approche a consisté à choisir des matériaux relativement simples qui ont des applications utiles :silicium, germanium, cuivre, mais utilisez ensuite les expériences pour sonder la physique de base sous-jacente à la réaction des matériaux et voir comment cela pourrait nous apprendre à construire des structures plus complexes. Plus le modèle est simple et général qui explique nos observations, plus nous sommes heureux.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
