L'utilisation d'un outil familier d'une manière qu'il n'a jamais été destiné à être utilisé ouvre une toute nouvelle méthode pour explorer les matériaux, rapportent les chercheurs de l'UConn dans Actes de l'Académie nationale des sciences . Leurs découvertes spécifiques pourraient un jour créer des puces informatiques beaucoup plus économes en énergie, mais la nouvelle technique elle-même pourrait ouvrir de nouvelles découvertes dans un large éventail de matières.

Les microscopes à force atomique (AFM) font glisser une pointe ultra-pointue sur les matériaux, toujours si près mais ne touchant jamais la surface. La pointe peut sentir où se trouve la surface, détecter les forces électriques et magnétiques produites par le matériau. En le passant méthodiquement d'avant en arrière, un chercheur peut cartographier les propriétés de surface d'un matériau de la même manière qu'un arpenteur arpente méthodiquement un terrain pour cartographier le territoire. Les AFM peuvent donner une carte des trous d'un matériau, saillies, et des propriétés à une échelle des milliers de fois plus petite qu'un grain de sel.

Les AFM sont conçus pour étudier les surfaces. La plupart du temps, l'utilisateur s'efforce de ne pas heurter le matériau avec la pointe, car cela pourrait endommager la surface du matériau. Mais parfois ça arrive. Il y a quelques années, étudiant diplômé Yasemin Kutes et Justin Luria, un post-doctorant, étudier les cellules solaires dans le laboratoire du professeur de science des matériaux et d'ingénierie Brian Huey, accidentellement creusé dans leur échantillon. Pensant d'abord que c'était une erreur irritante, ils ont remarqué que les propriétés du matériau semblaient différentes lorsque Kutes a enfoncé la pointe de l'AFM profondément dans le fossé qu'elle avait accidentellement creusé.

Kutes et Luria ne l'ont pas poursuivi. Mais un autre étudiant diplômé, James Steffes, a été inspiré pour examiner de plus près l'idée. Que se passerait-il si vous utilisiez intentionnellement la pointe d'un AFM comme un ciseau, et creusé dans un matériau, s'est-il demandé ? Serait-il capable de cartographier les propriétés électriques et magnétiques couche par couche, construire une image 3D des propriétés du matériau de la même manière qu'il a cartographié la surface en 2D ? Et les propriétés seraient-elles différentes à l'intérieur d'un matériau ?

Les réponses, Steffe, Huey, et leurs collègues rapportent dans PNAS , sont oui et oui. Ils ont creusé dans un échantillon de ferrite de bismuth (BiFeO3), qui est un multiferroïque à température ambiante. Les multiferroïques sont des matériaux qui peuvent avoir plusieurs propriétés électriques ou magnétiques en même temps. Par exemple, la ferrite de bismuth est à la fois antiferromagnétique - elle réagit aux champs magnétiques, mais dans l'ensemble ne présente pas de pôle magnétique Nord ou Sud - et ferroélectrique, ce qui signifie qu'il a une polarisation électrique commutable. De tels matériaux ferroélectriques sont généralement composés de minuscules sections, appelés domaines. Chaque domaine est comme un groupe de batteries dont toutes les bornes positives sont alignées dans la même direction. Les clusters de chaque côté de ce domaine seront pointés dans une autre direction. Ils sont très précieux pour la mémoire de l'ordinateur, parce que l'ordinateur peut inverser les domaines, « écrire » sur le matériel, utilisant des champs magnétiques ou électriques.

Lorsqu'un scientifique des matériaux lit ou écrit des informations sur un morceau de ferrite de bismuth, ils ne peuvent normalement voir ce qui se passe qu'en surface. Mais ils aimeraient savoir ce qui se passe sous la surface - si cela était compris, il pourrait être possible de transformer le matériau en puces informatiques plus efficaces qui fonctionnent plus rapidement et utilisent moins d'énergie que celles disponibles aujourd'hui. Cela pourrait faire une grande différence dans la consommation énergétique globale de la société — déjà, 5 % de toute l'électricité consommée aux États-Unis sert à faire fonctionner des ordinateurs.

Découvrir, Steffe, Huey, et le reste de l'équipe a utilisé une pointe AFM pour creuser méticuleusement à travers un film de ferrite de bismuth et cartographier l'intérieur, pièce par pièce. Ils ont découvert qu'ils pouvaient cartographier les domaines individuels tout en bas, exposer des motifs et des propriétés qui n'étaient pas toujours apparents à la surface. Parfois, un domaine se rétrécit jusqu'à ce qu'il disparaisse ou se divise en une forme de Y, ou fusionné avec un autre domaine. Personne n'avait jamais été capable de voir à l'intérieur du matériau de cette manière auparavant. C'était révélateur, comme regarder une tomodensitométrie 3D d'un os alors que vous ne pouviez auparavant lire que des radiographies 2D.

"À l'échelle mondiale, il y a quelque chose comme 30, 000 AFM déjà installés. Une grande partie de ceux-ci vont essayer [la cartographie 3D avec] l'AFM en 2019, alors que notre communauté se rend compte qu'elle n'a fait qu'effleurer la surface tout ce temps, " Huey prédit. Il pense également que davantage de laboratoires achèteront des AFM maintenant s'il est démontré que la cartographie 3D fonctionne pour leurs matériaux, et certains fabricants de microscopes commenceront à concevoir des AFM spécifiquement pour la numérisation 3D.

Steffes est par la suite diplômé de l'UConn avec son doctorat. et travaille maintenant chez GlobalFoundries, un fabricant de puces informatiques. Les chercheurs d'Intel, muRata, et ailleurs sont également intrigués par ce que le groupe a découvert sur la ferrite de bismuth, alors qu'ils recherchent de nouveaux matériaux pour fabriquer la prochaine génération de puces informatiques. L'équipe de Huey, pendant ce temps, utilise maintenant des AFM pour creuser dans toutes sortes de matériaux, du béton à l'os en passant par une multitude de composants informatiques.

"Travailler avec des partenaires académiques et entreprises, nous pouvons utiliser nos nouvelles connaissances pour comprendre comment mieux concevoir ces matériaux pour utiliser moins d'énergie, optimiser leurs performances, et améliorer leur fiabilité et leur durée de vie - ce sont des exemples de ce que les scientifiques des matériaux s'efforcent de faire chaque jour, " dit Huey.