Des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder ont utilisé des lasers ultraviolets extrêmes ultra-rapides pour mesurer les propriétés de matériaux plus de 100 fois plus minces qu'un globule rouge humain.

L'équipe, dirigé par des scientifiques de JILA, a rapporté sa nouvelle prouesse de minceur cette semaine dans le journal Documents d'examen physique . La cible du groupe, un film d'à peine 5 nanomètres d'épaisseur, est le matériau le plus fin que les chercheurs aient jamais pu sonder complètement, a déclaré le co-auteur de l'étude Joshua Knobloch.

"Il s'agit d'une étude record pour voir à quel point nous pourrions aller petit et à quel point nous pourrions être précis, " dit Knobloch, un étudiant diplômé à JILA, un partenariat entre CU Boulder et le National Institute of Standards and Technology (NIST).

Il a ajouté que lorsque les choses deviennent petites, les règles normales de l'ingénierie ne s'appliquent pas toujours. Le groupe a découvert, par exemple, que certains matériaux semblent devenir beaucoup plus mous au fur et à mesure qu'ils deviennent plus fins.

Les chercheurs espèrent que leurs découvertes pourront un jour aider les scientifiques à mieux naviguer dans le nanomonde souvent imprévisible, concevoir des circuits informatiques plus petits et plus efficaces, semi-conducteurs et autres technologies.

"Si vous faites de la nano-ingénierie, vous ne pouvez pas simplement traiter votre matériel comme s'il s'agissait d'un gros matériel normal, " a déclaré Travis Frazer, auteur principal du nouvel article et ancien étudiant diplômé de JILA. "En raison du simple fait qu'il est petit, il se comporte comme un matériau différent."

"Cette découverte surprenante - que les matériaux très minces peuvent être 10 fois plus fragiles que prévu - est un autre exemple de la façon dont de nouveaux outils peuvent nous aider à mieux comprendre le nanomonde, " a déclaré Margaret Murnane, un co-auteur de la nouvelle recherche, professeur de physique à CU Boulder et boursier JILA.

Nano se tortille

La recherche arrive à un moment où de nombreuses entreprises technologiques essaient de faire exactement cela :devenir petit. Certaines entreprises expérimentent des moyens de créer des puces informatiques efficaces qui superposent des films minces de matériau, comme une pâte filo, mais à l'intérieur de votre ordinateur portable.

Le problème avec cette approche, Frazer a dit, est que les scientifiques ont du mal à prédire comment ces couches floconneuses se comporteront. Ils sont tout simplement trop délicats pour être mesurés de manière significative avec les outils habituels.

Pour aider dans cet objectif, lui et ses collègues ont déployé des lasers ultraviolets extrêmes, ou des faisceaux de rayonnement qui fournissent des longueurs d'onde plus courtes que les lasers traditionnels, des longueurs d'onde bien adaptées au nanomonde. Les chercheurs ont développé une configuration qui leur permet de faire rebondir ces faisceaux sur des couches de matériau de quelques brins d'ADN d'épaisseur, suivre les différentes façons dont ces films peuvent vibrer.

« Si vous pouvez mesurer la vitesse à laquelle votre matériau se tortille, alors vous pouvez comprendre à quel point il est rigide, " a déclaré Frazer.

Perturbation atomique

La méthode a également révélé à quel point les propriétés des matériaux peuvent changer lorsque vous les faites très, très petit.

Dans l'étude la plus récente, par exemple, les chercheurs ont sondé la résistance relative de deux films en carbure de silicium :l'un d'environ 46 nanomètres d'épaisseur, et l'autre à peine 5 nanomètres d'épaisseur. Le laser ultraviolet de l'équipe a donné des résultats surprenants. Le film plus fin était environ 10 fois plus doux, ou moins rigide, que son homologue plus épais, quelque chose que les chercheurs ne s'attendaient pas.

Frazer a expliqué que, si vous faites un film trop fin, vous pouvez couper les liaisons atomiques qui maintiennent un matériau ensemble, un peu comme si vous démêliez une corde effilochée.

"Les atomes en haut du film ont d'autres atomes en dessous auxquels ils peuvent s'accrocher, " dit Frazer. " Mais au-dessus d'eux, les atomes n'ont rien à quoi s'accrocher."

Mais tous les matériaux ne se comporteront pas de la même manière, il ajouta. L'équipe a également refait la même expérience sur un deuxième matériau qui était presque identique au premier avec une grande différence :celui-ci contenait beaucoup plus d'atomes d'hydrogène. Un tel processus de "dopage" peut naturellement perturber les liaisons atomiques au sein d'un matériau, lui faisant perdre de sa force.

Lorsque le groupe a testé cette seconde, matériau plus fragile à l'aide de leurs lasers, ils ont trouvé quelque chose de nouveau :ce matériau était tout aussi résistant à 44 nanomètres d'épaisseur qu'à 11 nanomètres d'épaisseur.

Mettre différemment, les atomes d'hydrogène supplémentaires avaient déjà affaibli le matériau - un peu de rétrécissement supplémentaire ne pouvait plus faire de dégâts.

À la fin, l'équipe affirme que son nouvel outil laser ultraviolet donne aux scientifiques une fenêtre sur un domaine qui était auparavant hors de portée de la science.

"Maintenant que les gens construisent très, très petits appareils, ils demandent comment des propriétés comme l'épaisseur ou la forme peuvent changer le comportement de leurs matériaux, " a déclaré Knobloch. "Cela nous donne une nouvelle façon d'accéder aux informations sur la technologie nanométrique."

Cette recherche a été soutenue par le STROBE National Science Foundation Science and Technology Center on Real-Time Functional Imaging.