Observer les interactions liquide-solide à l'échelle atomique

La technologie des semi-conducteurs flirte depuis longtemps avec les échelles nanométriques; les circuits mesurent de nos jours quelques dizaines nanomètres. Afin de fabriquer ces puces de façon optimale, une parfaite compréhension des phénomènes qui se déroulent au niveau atomique est nécessaire. Ceci en particulier à la frontière entre les matériaux solides et les milieux liquides. Les scientifiques de l'Institut Max Planck de Stuttgart et de l'Institut de technologie d'Haïfa en Israël ont pu observer les processus atomiques se produisant entre l'aluminium liquide et l'oxyde d'aluminium solide (saphir).


En utilisant la microscopie électronique à haute tension, les scientifiques ont prouvé que les cristaux sont capables d'ordonner les atomes des métaux liquides voisins, même à des températures élevées. Leurs résultats sont importants pour des procédés telles que la mouillure des joints en soudure nanométrique.

Quand un non spécialiste pense au saphir, il s'imagine une pierre précieuse bleue ou la pointe de la tête de lecture d'un électrophone. Pour des scientifiques, cependant, le saphir est également une forme particulière de l'oxyde d'aluminium (α-Al203 appelé également corindon). Oxyde très stable, le saphir est utilisé dans beaucoup de domaines technologiques. Dans la technologie des semi-conducteurs, par exemple, il isole les composants électroniques. Pour cela et pour beaucoup d'autres procédés technologiques (solidification, croissance des cristaux, lubrification), la production est optimalisée et suivie à des dimensions de plus en plus fines. Il est par conséquent important de savoir quelles interactions ont lieu à un niveau atomique, à la frontière entre les matériaux solides et liquides.

L'intérêt de la recherche fondamentale pour la structure des interfaces solide-liquide et sur les phénomènes qui s'y déroulent, s'est développé depuis que des études aux rayons X et que des simulations atomiques sur ordinateur, ont montré des fluctuations de densité élevées dans la phase liquide de l'interface. Les scientifiques de l'Institut Planck ont analysé soigneusement ces processus en observant avec un microscope électronique à haute résolution, la frontière entre aluminium liquide et oxyde d'aluminium cristallisé (saphir). Ils ont porté le système à une température de 850°C, au-dessus du point de fusion de l'aluminium (660°C) et l'ont observé avec une résolution de 0,12 nanomètre.

Les chercheurs ont montré que la densité des atomes de l'aluminium liquide n'était pas uniforme sur la surface de contact. Des fluctuations de densité existent effectivement. En modifiant légèrement les conditions expérimentales, ils ont également pu observer une croissance du saphir depuis l'aluminium liquide, ainsi que le transfert d'atomes d'oxygène.

Les chercheurs ont réalisé des images de la réaction. Les enregistrements montrent comment les atomes de l'aluminium liquide s'ordonnent sur la surface en contact avec le cristal. Ils ont visualisé le développement dynamique du cristal en couches. Les chercheurs en ont déduit que les cristaux peuvent provoquer l'ordonnancement des atomes dans les liquides à température élevée. Ces résultats pourront être utiles pour de futurs procédés de soudure à l'échelle nanométrique utilisables en production de puces électroniques.