Comment créer des nanofils de seulement trois atomes de large avec un faisceau d'électrons

Junhao Lin, titulaire d'un doctorat à l'Université Vanderbilt. étudiant et scientifique invité au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL), a trouvé un moyen d'utiliser un faisceau d'électrons finement focalisé pour créer certains des plus petits fils jamais fabriqués. Les fils métalliques flexibles n'ont qu'une largeur de trois atomes : un millième de la largeur des fils microscopiques utilisés pour connecter les transistors dans les circuits intégrés d'aujourd'hui.

La réussite de Lin est décrite dans un article publié en ligne le 28 avril par la revue Nature Nanotechnologie. Selon son conseiller Sokrates Pantelides, professeur émérite de physique et d'ingénierie à l'université Vanderbilt, et ses collaborateurs de l'ORNL, la technique représente une nouvelle façon passionnante de manipuler la matière à l'échelle nanométrique et devrait donner un coup de pouce aux efforts visant à créer des circuits électroniques à partir de monocouches atomiques, le facteur de forme le plus fin possible pour les objets solides.

"Junhao a pris ce projet et l'a vraiment mis en œuvre", a déclaré Pantelides.

Lin a fabriqué les minuscules fils à partir d’une famille spéciale de matériaux semi-conducteurs qui forment naturellement des monocouches. Ces matériaux, appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), sont fabriqués en combinant les métaux molybdène ou tungstène avec du soufre ou du sélénium. Le membre le plus connu de la famille est le bisulfure de molybdène, un minéral commun utilisé comme lubrifiant solide.

Les monocouches atomiques font aujourd’hui l’objet d’un intérêt scientifique considérable car elles tendent à posséder un certain nombre de qualités remarquables, telles qu’une résistance et une flexibilité exceptionnelles, une transparence et une mobilité électronique élevée. Cet intérêt a été suscité en 2004 par la découverte d'un moyen simple de créer du graphène, un réseau en nid d'abeilles à l'échelle atomique composé d'atomes de carbone qui a présenté un certain nombre de propriétés record, notamment la résistance, l'électricité et la conduction thermique. Malgré les propriétés exceptionnelles du graphène, les experts ont eu du mal à le convertir en dispositifs utiles, un processus que les scientifiques des matériaux appellent fonctionnalisation. Les chercheurs se sont donc tournés vers d’autres matériaux monocouches comme les TMDC.

D'autres groupes de recherche ont déjà créé des transistors fonctionnels et des portes de mémoire flash à partir de matériaux TMDC. Ainsi, la découverte de la fabrication des fils fournit les moyens d'interconnecter ces éléments de base. Après les transistors, le câblage est l’une des parties les plus importantes d’un circuit intégré. Même si aujourd'hui circuits intégrés (puces) ont la taille d'une vignette, elles contiennent plus de 20 miles de câblage en cuivre.

"Cela stimulera probablement un énorme intérêt de recherche pour la conception de circuits monocouches", a déclaré Lin. "Comme cette technique utilise l'irradiation électronique, elle peut en principe être applicable à tout type d'instrument à base d'électrons, tel que la lithographie par faisceau d'électrons."

L’une des propriétés fascinantes des circuits monocouches est leur solidité et leur flexibilité. Il est trop tôt pour prédire quels types d'applications cela produira, mais « si vous laissez libre cours à votre imagination, vous pouvez imaginer des tablettes et des écrans de télévision aussi fins qu'une feuille de papier que vous pouvez enrouler et mettre dans votre poche ou sac à main », a commenté Pantelides.

De plus, Lin estime que la nouvelle technique pourrait permettre de créer des circuits tridimensionnels en empilant des monocouches « comme des blocs Lego » et en utilisant des faisceaux d'électrons pour fabriquer les fils qui relient les couches empilées.

La fabrication des nanofils a été réalisée à l'ORNL dans le groupe de microscopie dirigé jusqu'à récemment par Stephen J. Pennycook, dans le cadre d'une collaboration Vanderbilt-ORNL en cours qui combine la microscopie et la théorie pour étudier les systèmes de matériaux complexes. Junhao est un étudiant diplômé qui poursuit à la fois la théorie et la microscopie électronique dans ses recherches doctorales. Son principal mentor en microscopie a été Wu Zhou, ORNL Wigner Fellow.

« Junhao a utilisé un scanner microscope électronique à transmission (STEM) qui est capable de focaliser un faisceau d'électrons jusqu'à une largeur d'un demi-angström (environ la moitié de la taille d'un atome) et de diriger ce faisceau avec une précision exquise », a déclaré Zhou.