Observer la croissance de cristaux dans un microscope électronique
Publié par Redbran le 10/11/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP

Croissance de la structure wurtzite © C2N, CNRS/Université Paris-Sud
Un dispositif instrumental unique a permis d'observer pour la première fois, in situ et en temps réel, la croissance de nanomatériaux élaborés par jets moléculaires dans un microscope électronique à transmission.

Les nanotechnologies font appel à des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) cristallins de taille nanométrique qui peuvent être élaborés par différentes techniques. Comprendre et contrôler la formation de ces nanocristaux représente un enjeu majeur pour maîtriser leurs propriétés et atteindre ainsi une fonctionnalité donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.). Pour sonder et étudier leur morphologie, leur structure cristalline ou leur composition chimique, la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à l'œil nu, soit par...) électronique en transmission (MET) constitue une technique de choix. En effet, ces analyses MET peuvent être menées à l'échelle atomique. En termes de résolution spatiale, elles ont considérablement bénéficié de l'apparition des correcteurs d'aberrations géométriques, ces dernières années. Parmi les méthodes d'élaboration de semi-conducteurs ou de métaux, l'épitaxie par jets moléculaires, qui offre un excellent contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de la croissance cristalline, n'avait jusqu'alors jamais été mise en œuvre dans un microscope électronique en transmission opérationnel.

Grâce à de nouveaux développements instrumentaux réalisés dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours...) de microscope NanoMAX, des chercheurs et ingénieurs du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Univ. Paris-Sud) et du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) des interfaces et des couches minces (LPICM, CNRS/École Polytechnique) ont pu observer en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel et à l'échelle atomique la formation de nanofils d'arséniure de gallium (GaAs). Ces nanofils croissent à partir de jets de gallium atomique et d'arsenic (L’arsenic est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole As et de numéro atomique 33, présentant des...) moléculaire dirigés vers une fine membrane chauffante, transparente au faisceau électronique du microscope. La membrane est recouverte de nanoparticules d'or qui catalysent la croissance des nanocristaux. Avec cette préparation, les couches atomiques du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on...) cristallin se construisent une à une, à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de...) entre le nanofil et la gouttelette de catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas...).

La formation d'une couche commence de façon convexe (En géométrie, un objet est convexe si pour toute paire de points { A , B } de cet objet, le segment [AB] qui les joint est entièrement contenu dans l'objet. Par...): elle minimise la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) de ses bords. Puis la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de...) s'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...). Les bords de la couche s'allongent préférentiellement à la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet ou d'une chose.) de la gouttelette. L'avancée se poursuit donc de façon concave jusqu'à ce que la couche soit complète. Cette progression permet au système de minimiser l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) mise en jeu. Les chercheurs ont interprété ces observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) à l'aide d'un modèle simple basé sur la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces...) du système. Ils attribuent différentes énergies aux frontières de la couche en formation selon leur emplacement (au sein ou à la périphérie de la gouttelette).

Plus généralement, l'utilisation de cet équipement totalement inédit qu'est NanoMAX ouvre l'accès à des informations capitales sur les mécanismes mis en jeu pendant la croissance de nanostructures, impliquant notamment la morphologie du catalyseur et des interfaces, le lieu de germination des couches, ou encore la cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) d'avancée des marches atomiques. Ces informations conduisent à un contrôle accru des propriétés des nanocristaux. Enfin, ce dispositif instrumental unique permet d'étudier une large gamme de matériaux - semi-conducteurs, objets carbonés, métaux, oxydes- à partir d'autres sources de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...). Un bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance du son....) outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions...) pour faire progresser la science des matériaux (La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant par les matériaux de construction (génie civil), les polymères...) !

Croissance de la structure wurtzite en vue inclinée révélant une projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une carte.) bidimensionnelle de la progression des marches atomiques. Les marches naissent à la ligne triple, frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant les régions et les époques. Entre les pays de...) entre les phases solide, liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) et vapeur (). Quand une monocouche atteint ≈75% de couverture de l'interface solide/liquide, on observe une inversion de la courbure du bord de marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui...), qui renseigne sur les énergies de bord mises en jeu. © C2N, CNRS/Université Paris-Sud

NanoMAX

NanoMAX est l'un des trois piliers de l'Equipex TEMPOS, financé en 2010 par le Programme d'Investissements d'Avenir et piloté par Odile Stephan du Laboratoire de physique des solides, LPS (CNRS/Univ. Paris-Sud) à Orsay. Il a pour ambition de créer un pôle de microscopie électronique de rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du sous-espace vectoriel engendré par cette famille. Le...) mondial sur le plateau de Saclay. NanoMAX, installé sur le site de l'École polytechnique à Palaiseau, réunit dans le cadre de Paris-Saclay des chercheurs et des ingénieurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), de l'École polytechnique, de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où...) Paris-Sud et du CEA. L'objectif de NanoMAX est d'observer la croissance de nanostructures en temps réel et à l'échelle atomique. Dans ce microscope de conception unique, on injecte des faisceaux de matière, gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un...), radicaux gazeux ou jets moléculaires directement sur l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :).

Cette publication a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) d'un Focus sur le site Physics de l'American Physical Society (APS): Focus: Video—Growing a Crystal One Atomic Layer at a Time

Référence publication:
Atomic step flow on a nanofacet
J.-C. Harmand, G. Patriarche, F. Glas, F. Panciera, I. Florea, J.-L. Maurice, L. Travers et Y. Ollivier
Physical Review Letters, 121, 166101 (2018)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.166101

Contact chercheur:
Jean-Christophe Harmand, directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) au CNRS

Informations complémentaires:
- Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Univ. Paris-Sud)
- Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (LPICM, CNRS/École Polytechnique)
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