Des ions hautement chargés font fondre des nanopépites d’or

Les expériences menées à TU Wien se situent dans cet entre-deux complexe : de très petits morceaux d’or, composés de quelques milliers d’atomes et d’un diamètre de l’ordre de dix nanomètres, sont bombardés d’ions hautement chargés. Cela permet de modifier la forme et la taille de ces pièces d’or de manière ciblée. Les résultats montrent : Ce qui se passe dans le processus ne peut pas simplement être décrit comme l’impact d’une balle de golf dans un bunker de sable – l’interaction de l’ion et de la pièce d’or est beaucoup plus subtile.

Énergie transférée par bombardement ionique

“Nous travaillons avec des atomes de xénon multi-ionisés. Jusqu’à 40 électrons sont retirés de ces atomes, ils sont donc fortement chargés électriquement”, explique le professeur Richard Wilhelm de l’Institut de physique appliquée de la TU Wien. Ces ions hautement chargés frappent alors de petites îles d’or placées sur un substrat isolant — et alors différentes choses peuvent se produire : les îles d’or peuvent devenir plus plates, elles peuvent fondre, elles peuvent même s’évaporer. “Selon le degré de charge électrique de nos ions, nous pouvons déclencher différents effets”, explique Gabriel Szabo, premier auteur de l’étude actuelle, qui travaille actuellement sur sa thèse dans l’équipe de Richard Wilhelm.

Les ions hautement chargés frappent les minuscules pépites d’or à une vitesse élevée, à environ 500 kilomètres par seconde. Néanmoins, ce n’est remarquablement pas la force de l’impact qui change les îles d’or. Le processus est complètement différent de l’impact d’une balle de golf dans un tas de sable, ou de l’impact accidentel d’une balle de tennis dans un gâteau d’anniversaire joliment décoré.

“Si vous tirez des atomes de xénon non chargés sur les îles d’or avec la même énergie cinétique, les îles d’or restent pratiquement inchangées”, explique Gabriel Szabo. “Ainsi, le facteur décisif n’est pas l’énergie cinétique, mais la charge électrique des ions. Cette charge transporte également de l’énergie et se dépose exactement au point d’impact.”

Modifications de la structure électronique

Dès que les ions extrêmement chargés positivement frappent la pièce d’or nano, ils arrachent des électrons à l’or. Dans une grosse pièce d’or, cela n’aurait aucun effet significatif : l’or est un excellent conducteur, les électrons peuvent se déplacer librement et davantage d’électrons seraient fournis à partir d’autres zones de la pépite d’or. Mais les structures de nano-or sont si petites qu’elles ne peuvent plus être considérées comme un réservoir inépuisable d’électrons. C’est précisément ici que l’on entre dans le monde intermédiaire entre le métal macroscopique et les minuscules amas atomiques et leurs propriétés à l’échelle nanométrique.

“L’énergie de charge de l’ion impactant est transférée à l’or, ainsi la structure électronique de l’ensemble de l’objet nano-or est complètement déséquilibrée, les atomes commencent à bouger et la structure cristalline de l’or est détruite”, explique Richard Guillaume. “Selon la quantité d’énergie que vous déposez, il peut même arriver que toute la pièce de nano-or fonde ou soit vaporisée.”

Les effets du bombardement ionique peuvent alors être étudiés au microscope à force atomique : Selon la charge des ions, la hauteur des pièces d’or est plus ou moins réduite, rapporte Gabriel Szabo : « Tout comme nos modèles avaient aussi prédit, nous pouvons contrôler l’impact des ions sur l’or – et non par la vitesse que nous donnons à nos projectiles, mais plutôt par leur charge.”

Un contrôle amélioré et une compréhension plus approfondie de ces processus sont importants pour fabriquer une grande variété de nanostructures. “C’est une technique qui vous permet d’éditer de manière sélective la géométrie de structures particulièrement petites. C’est tout aussi intéressant pour la création de composants microélectroniques que pour les soi-disant points quantiques – de minuscules structures qui permettent des composants électroniques ou optiques sur mesure très spécifiques. effets dus à leurs propriétés physiques quantiques », explique Richard Wilhelm.

Et c’est un autre aperçu du monde des choses petites mais pas encore minuscules – dans le monde intermédiaire aux multiples facettes entre la physique quantique et la physique du solide, qui ne peut être compris qu’en gardant à l’esprit les phénomènes quantiques et à plusieurs particules en même temps. .