La force qui pousse les atomes du côté chaud vers le côté froid d’un matériau est démontrée par le déplacement continu de motifs microscopiques sur une surface. Lorsqu’il y a une différence de température significative aux bornes d’un microcircuit dans un appareil tel qu’un téléphone portable, les atomes peuvent migrer et éventuellement conduire à de mauvaises connexions électriques. Actuellement, ce suivi à micro-échelle, appelé thermomigration, a montré qu’une force induite par la diffusion était le facteur moteur du mouvement. Les scientifiques ont observé des dépressions peu profondes, ou « bassins », qui se formaient à la surface d’une plaquette de silicium carrée chauffée d’un côté et refroidie de l’autre. Ils ont observé les atomes se déplacer en raison de la différence de température lorsqu'ils se déplaçaient à travers les bassins.
D'autres chercheurs pourraient développer de nouvelles stratégies pour réguler la croissance des nanostructures à l'aide de la force extraite et de la caractérisation globale du processus.
Le gradient (différence de température) entre deux emplacements affecte la rapidité avec laquelle la thermomigration se déplace d'une zone à une autre. Selon Leroy d'Aix-Marseille Université, les ingénieurs passent beaucoup de temps à concevoir pour éviter les gradients thermiques. Mais Leroy soutient que les idées fondamentales qui sous-tendent ce mouvement ne sont pas mieux comprises. "Nous proposons une méthode pour quantifier la migration afin d'avoir une valeur très précise de la force qui anime le mouvement."
Pour enregistrer le mouvement atomique, Leroy et ses collègues ont commencé avec une plaquette de silicium de 9 mm de large et présentant une surface très plate et uniforme.
Une différence de température d'environ 100 °C a été produite en appliquant une source de chaleur d'un côté et un dissipateur thermique de l'autre. L’équipe a prédit que les atomes de silicium se déplaceraient des parties les plus chaudes vers les parties plus froides de la surface sous ce gradient. Il serait toutefois difficile de constater réellement ce mouvement. Parce que les atomes se déplacent si vite, explique Leroy, "nous ne pouvons pas mesurer directement le mouvement atomique".
Au lieu de cela, les scientifiques ont examiné les dépressions de la surface des plaquettes d’une profondeur d’un atome à l’aide d’un microscope électronique. Les scientifiques ont utilisé des photographies successives pour déterminer la migration de ces structures, larges de plusieurs micromètres, vers le bord chaud de la plaquette à une vitesse d'environ 0,2 nanomètres par seconde (nm/s).
Le mouvement du bassin est expliqué par les chercheurs comme étant provoqué par la diffusion d'atomes de silicium. Comme dans un gaz bidimensionnel, les atomes se détachent de la paroi chaude du bassin et commencent à se déplacer de manière chaotique au fond du bassin. Lorsqu’un de ces atomes dispersés atteint la paroi la plus froide du bassin, il peut se recombiner. Les parois du bassin se déplacent dans la direction de la source de chaleur en raison du processus global.
À l’aide de ce modèle de diffusion, les scientifiques ont calculé une force de thermomigration d’environ 108 eV/nm, soit des millions de fois inférieure aux forces qui provoquent la liaison chimique. Leroy suggère qu'en raison des gradients de température plus élevés présents dans les microcircuits, la force de thermomigration devrait ici être plus forte. Cependant, des recherches plus approfondies avec différents types de matériaux seront nécessaires pour déterminer la force de la force. Ces expériences pourraient révéler si le mécanisme de diffusion identifié par l’équipe est une caractéristique de la thermomigration en général.
Hibino, spécialiste japonais des sciences des surfaces, a été surpris que le mouvement des bassins apparaisse si prononcé dans les données, étant donné que le mouvement atomique est assez complexe et que la différence de température entre les bassins est minime (environ 0,04 °C). Selon Hibino, ce sont des expériences bien conçues qui ont permis aux auteurs d’extraire avec succès l’effet de thermomigration de processus difficiles.
Les travaux démontrent « de belles prouesses techniques » et « les mesures expérimentales sont impressionnantes », selon le théoricien français de la matière condensée Olivier Pierre-Louis. Il pense néanmoins que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour améliorer le modèle théorique. Selon lui, une meilleure compréhension de la thermomigration pourrait aboutir à des méthodes entièrement nouvelles pour produire des nanostructures utilisant des gradients de chaleur pour déplacer les atomes sur une surface. «Grâce à leur journal, nous disposons désormais de chiffres pour nous dire ce qui est possible et ce qui ne l'est pas», explique Pierre-Louis.
Ressources: https://physics.aps.org/
📩 17/09/2023 19:03