Construire des structures atome par atome à l’aide de la microscopie électronique

La fabrication à l’échelle nanométrique a ouvert une multitude de possibilités pour les nouvelles technologies. De l’optique de précision¹ aux systèmes d’emballage alimentaire intelligents²la fabrication à l’échelle nanométrique devient de plus en plus un élément essentiel des technologies de fabrication industrielle.

Crédit d’image : Rost9/Shutterstock.com

Travailler à l’échelle nanométrique pour la fabrication pose des défis uniques. Alors que de nombreuses méthodes de fabrication à l’échelle macro, telles que la lithographie et la fabrication additive, ont été transposées avec succès dans le monde de la fabrication à l’échelle nanométrique,³ les exigences de précision et d’exactitude des équipements de fabrication rendent de telles techniques très coûteuses et exigeantes en termes de mise en œuvre matérielle.

Un atome moyen mesure jusqu’à environ 0,5 nm de diamètre et être capable de manipuler et de contrôler la disposition des atomes individuels dans des structures plus complexes fournirait les capacités de construction idéales pour de nombreuses structures et dispositifs complexes à l’échelle nanométrique.

L’un des outils les plus populaires pour la caractérisation des structures nanométriques est la microscopie électronique. Bien que les coûts des instruments de microscopie électronique ne soient pas négligeables, la richesse des informations sur la structure et la composition des matériaux qui peuvent être capturées dans les expériences de microscopie électronique a rendu cette technique indispensable à la recherche et au développement dans des domaines allant de la science des matériaux à la découverte de médicaments et à l’électronique.⁴

Le succès de la microscopie électronique dans le domaine des nanosciences s’explique par sa résolution spatiale exceptionnellement élevée, qui peut même être suffisante pour visualiser des atomes uniques sur des surfaces.⁵ Les mêmes capacités qui rendent la microscopie électronique excellente pour l’imagerie d’objets et de caractéristiques à l’échelle atomique la rendent également excellente pour la manipulation d’atomes uniques.

Manipulation d’atomes

L’une des images de microscopie électronique les plus emblématiques est probablement celle du nom IBM créé sur une surface de nickel à partir de 35 atomes de xénon.⁶ L’équipe avait démontré que les microscopes à effet tunnel (STM) pouvaient être utilisés pour enregistrer des images et capturer et déplacer des atomes individuels selon la forme choisie par le chercheur.

Alors que les interactions entre la surface et la pointe avaient initialement posé quelques problèmes dans les tentatives des scientifiques visant à forcer les atomes à se placer dans une disposition donnée de la surface, en appliquant un courant à la pointe tout en balayant la surface, les atomes pouvaient être contrôlés et manipulés.

À mesure que les technologies de microscopie électronique se sont améliorées et que les scientifiques ont acquis une meilleure connaissance de la manière de manipuler des types d’atomes spécifiques, la complexité des mesures, de l’imagerie et de la manipulation avec STM a augmenté.⁷ Désormais, le défi pour les chercheurs est de trouver des moyens non seulement de placer un seul atome sur une surface, mais aussi d’empiler et d’organiser les atomes selon des formes et des structures complexes.

Contrôle atomique

Une technique de fabrication parfaite nécessite un très haut degré de contrôle et des résultats entièrement prévisibles. Un mauvais contrôle d’un processus conduit à des résultats indésirables et, en particulier si les exigences de contrôle qualité sont strictes, conduit à un grand nombre de produits défectueux.

De nombreuses applications en optique et optoélectronique sont incroyablement exigeantes en termes de qualité des matériaux nécessaires et même de petites imperfections et défauts peuvent conduire à de mauvaises performances. Certaines questions de l’ingénierie atomique sont de savoir comment combiner plusieurs étapes de fabrication pour réaliser des assemblages à grande échelle et comment comprendre et prédire les résultats possibles lorsque les faisceaux d’électrons, souvent intenses et destructeurs, interagissent avec un échantillon.⁸

Un groupe a tenté de comprendre comment biaiser la dynamique d’un seul atome avec une irradiation électronique pour introduire des dopants P à des sites spécifiques dans les structures de graphène, un matériau 2D prototypique. En fonction de la position spécifique du carbone, les probabilités de divers processus, tels que l’inactivation ou le remplacement, varient. Les chercheurs pourraient alors utiliser le déplacement du carbone pour tenter d’augmenter la probabilité de substitution en un site particulier du réseau.

Nanorobotique

En plus d’utiliser le faisceau électronique direct pour déplacer des atomes le long d’une surface d’échantillon, un certain nombre d’approches de manipulation nanorobotique sont en cours de développement, permettant également la création ascendante de structures à l’échelle nanométrique.⁹

L’un des défis de la microscopie à effet tunnel, qui était la technique utilisée pour créer des images IBM emblématiques, est qu’elle nécessite l’utilisation de sondes et d’échantillons conducteurs. L’exigence de matériaux conducteurs limite les substances avec lesquelles on peut travailler. La microscopie à force atomique est une technique plus générale et peut également être utilisée dans des environnements sans vide, mais ses capacités de manipulation sont encore quelque peu limitées en raison des temps d’imagerie relativement longs. Cela signifie que déplacer des atomes peut prendre beaucoup de temps.

Une autre approche consiste à combiner des dispositifs MEMS pour prélever les échantillons comme pinces et pour améliorer l’adhérence des objets au lieu d’utiliser la pointe du microscope électronique elle-même. Des pointes de forme différente peuvent également modifier ce qui peut être capté avec les microscopes électroniques, et l’utilisation accrue des techniques de réalité virtuelle aide les opérateurs à améliorer la précision du mouvement des pièces.

En conclusion, les approches de microscopie électronique fournissent des outils puissants non seulement pour la caractérisation des nanomatériaux mais aussi pour leur assemblage et leur création. Fabriquer des dispositifs à l’échelle nanométrique atome par atome est désormais tout à fait réalisable, mais des travaux futurs seront nécessaires pour accélérer ce processus et améliorer la compatibilité des techniques de fabrication avec un grand nombre de types d’échantillons.

En savoir plus : Combiner l’AFM et le Deep Learning pour améliorer la nanomanipulation

Références et lectures complémentaires

Zolfaghari, A., et coll. (2019). Fabrication additive d’optiques de précision à l’échelle micro et nanométrique. Journal international de fabrication extrême, 1, p. 012005. est ce que je.org/10.1088/2631-7990/ab0fa5

Parc, S., et coll. (2020). La fabrication à l’échelle nanométrique comme stratégie habilitante pour la conception de systèmes d’emballage alimentaire intelligents. Emballage alimentaire et durée de conservation, 26, p. 100570. est ce que je.org/10.1016/j.fpsl.2020.100570

Khare, HS, et coll. (2018). Impression nanotribologique : une méthode de fabrication additive à l’échelle nanométrique. Lettres nano18(11), pages 6756 à 6763. doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b02505

Spurgeon, SR, et coll. (2021). Vers une microscopie électronique à transmission de nouvelle génération basée sur les données. Matériaux naturels20(3), p. 274-279. est ce que je.org/10.1038/s41563-020-00833-z

Zhu, Y. et Dürr, H. (2015). L’avenir de la microscopie électronique. La physique aujourd’hui68(4), p. 32-38. est ce que je.org/10.1063/PT.3.2747

DM, E. et EK, S. (1990). Positionnement d’atomes uniques avec un microscope à effet tunnel. Nature, 344 (avril), p. 524. est ce que je.org/10.1038/344524a0

Stipe, Colombie-Britannique, et coll. (1998). Spectroscopie et microscopie vibrationnelle de molécule unique. Science280 (5370), pages 1732 à 1735. est ce que je.org/10.1126/science.280.5370.1732

Su, C., et coll. (2019). Ingénierie de la dynamique d’un seul atome avec irradiation électronique. Avancées scientifiques5(5), p. 1-12. est ce que je.org/10.1126/sciadv.aav2252

Su, C., et coll. (2019). Ingénierie de la dynamique d’un seul atome avec irradiation électronique. Avancées scientifiques5(5), p. 1-12. est ce que je.org/10.1126/sciadv.aav2252

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