22.05.2007 – 10:00

Schweizerischer Nationalfonds / Fonds national suisse

FNS: Image du mois mai 2007: Des recherches fondamentales lèvent un voile sur le monde des nanostructures

Berne (ots)

Image et texte sous:
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Un «mode d'emploi» pour créer des nano-colliers d'atomes aux 
propriétés inouïes

Afin de satisfaire à la miniaturisation de l'électronique, les 
scientifiques explorent désormais le monde nanoscopique. Construire 
d'infimes systèmes unidimensionnels, tels des «colliers d'atomes», 
pour par exemple en faire des nanofils conducteurs est un domaine 
de recherche de pointe. Des physiciens de l'Université de 
Neuchâtel, soutenus par le Fonds national suisse, ont établi 
un «mode d'emploi» pour ces bricolages atomiques, une sorte de 
table de référence qui facilitera les avancées vers des 
applications.

Pour fabriquer de nouveaux composants microélectroniques, les 
ingénieurs ont souvent privilégié l'approche dite «top down» (trad. 
«de haut en bas»). Cette démarche se base sur des instruments 
exploitant des faisceaux d'électrons, des rayons X ou UV, qui 
permettent d'imprimer sur des surfaces des circuits électroniques 
de l'ordre du millième de millimètre, voire plus petit. Malgré des 
gains notoires en précision et en miniaturisation, ces techniques 
atteignent leurs limites physiques. Pour passer le cap, les 
scientifiques se tournent vers les méthodes «bottom up» («de bas en 
haut»).

Celles-ci consistent à guider l'assemblage de constituants 
atomiques ou moléculaires en des structures auto-arrangées, en 
tirant profit des propriétés inhérentes au système. Dès les années 
1990, les physiciens sont parvenus, sur de fins plans cristallins 
de silicium appelés «gaufres» en anglais (wafer), à générer des 
rangées d'atomes d'or ou d'autres éléments (argent, calcium, 
gadolinium, etc.). Le processus est simple. «Un wafer est chauffé 
sous vide à 1200°C, ce qui décape les couches superficielles 
indésirables, puis refroidi jusqu'à 600°C, explique le doctorant 
Corsin Battaglia. Dans le même espace est ensuite chauffée une 
bribe de l'élément chimique à appliquer, l'or par exemple. Ses 
atomes s'évaporent et se déposent sur le wafer, en respectant une 
configuration imposée par le silicium.» Au final: des chaînes 
alignées parallèlement dont les maillons correspondent aux atomes 
d'or (image). «Sur notre échantillon de 1 cm2, nous avons assez des 
rangs d’atomes pour, s'ils étaient mis bout à bout, former une 
chaîne de 100km!»

A l'inverse de l'approche «top down» et de son caractère imposé, 
la recette «bottom up» a pour avantage de produire en masse, 
rapidement et à moindre coût ces nanostructures. «Fabriquer ces 100 
km de collier d'atomes ne prend qu'une minute», dit le doctorant. 
Toutefois, nombre de questions demeurent les concernant, tant les 
électrons acquièrent des propriétés de plus en plus «exotiques» 
lorsque l'on passe de structures de trois à une dimension: ces 
chaînes sont-elles stables ? Quelles sont leurs qualités de 
conduction électrique? Et quel rôle joue les défectuosités 
possibles? «Avant d'avancer dans le domaine, il fallait établir, à 
l'échelle nanométrique, l'importance de la relation entre les 
structures électroniques et géométriques de ces nouveaux objets», 
justifie Corsin Battaglia.

A l'aide de deux instruments spécifiques (un microscope à effet 
tunnel (STM) et un spectromètre à photoélectrons) qui permettent de 
«voir» les atomes, le chercheur a donc procédé une caractérisation 
de la configuration des électrons lorsque des atomes de gadolinium 
et de calcium étaient alignées sur le plan de silicium. «Nous avons 
d'abord observé que l'apport de ces atomes engendrait dans chaque 
cas une reconstruction de la surface du silicium sous la forme de 
canaux et de sillons plus ou moins larges. C'est comme si le fait 
de déposer à intervalles réguliers des pommes de terre sur un champ 
de terre aplanie avait pour effet de générer des sillons.»

Mais c'est surtout la deuxième découverte qui a permis à Corsin 
Battaglia et à son professeur Philipp Aebi de publier, en février, 
leur travaux dans la revue Europhysics Letters*: «En créant ces 
chaînes, les atomes fournissent un ou plusieurs électrons au 
substrat qui se restructure, se stabilise, et se dote de nouvelles 
propriétés, en devenant par exemple magnétique ou conducteur! Ce ne 
serait donc pas les colliers d'atomes eux-mêmes, mais les sillons 
de silicium les soutenant qui joueraient le rôle d’infimes fils 
électriques». En reprenant la métaphore agricole, il y aurait sous 
chaque sillon de terre comme de l’eau ne demandant qu'à s'écouler 
dans une canalisation, or celle-ci n'y parviendrait que lorsque les 
pommes de terre lui adjoindraient l'humidité qu’elles contiennent. 
Enfin, en rassemblant toutes ces observations, les physiciens ont 
répertorié en une «table de référence systématique» toutes les 
configurations possibles de disposer ces patates-atomes sur le 
champ de silicium, en y associant les effets induits sur le 
matériau. «Cela nous permet de dire quelles seront les 
caractéristiques de surface du silicium lorsqu'on y dépose des 
atomes de tel ou tel élément», résume Philipp Aebi. Une information 
importante lorsqu’il s'agira d'envisager des nanosystèmes plus 
complexes.

Pour l'heure, ces recherches restent fondamentales. «Je suis 
étonné de l'extraordinaire richesse de possibilités qu’utilise la 
Nature, en l'occurrence le cristal de silicium, pour s'organiser en 
fonction de la situation», commente le professeur. Qui ne rechigne 
pas à imaginer des applications: «Dans le domaine émergeant de 
l'électronique moléculaire, l'idée est de tirer profit de certaines 
molécules possédant une fonctionnalité particulière. Nos chaînes 
d'atomes pourraient permettre d' «adresser» ces molécules, comme 
tous les fils électriques dans un ordinateur sont chacun connectés 
à un module précis.» Corsin Battaglia abonde: «D'autres 
applications pourront peut-être tirer profit des propriétés 
optiques de ces systèmes de chaînes atomiques, voire de leur rôle 
de catalyseur dans des réactions chimiques. De plus, leur 
réactivité chimique pourrait conduire au développement de senseurs 
chimiques.» Les deux physiciens hésitent toutefois à estimer quand 
émergeront ces applications, «tant certaines avancées sont 
imprédictibles.»

* Europhysics Letters (EPL), 77 (2007) 36003

Contact :
Université de Neuchâtel
Laboratoire de physique – spectroscopie
Rue A.-L. Breguet 1, CH-2000 Neuchâtel
tél: +41 (0)32 718 29 11 
fax: +41 (0)32 718 29 01

Prof Philipp Aebi
tél.: +41 (0)32 718 29 81, e-mail :  philipp.aebi@unine.ch

Corsin Battaglia
tél.: +41 (0)32 718 29 48, e-mail:  corsin.battaglia@unine.ch

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