Des ions hautement chargés font fondre des nanopépites d'or

De minuscules structures en or peuvent être manipulées de manière ciblée par bombardement ionique - étonnamment, le facteur décisif n'est pas la force de l'impact.

30.03.2023 - Autriche

Normalement, nous devons faire un choix en physique : Soit nous traitons de grandes choses, comme une plaque de métal et ses propriétés matérielles, soit de choses minuscules, comme des atomes individuels. Mais il existe aussi un monde intermédiaire : Le monde des choses petites, mais pas encore minuscules, dans lequel les effets du monde macroscopique et les effets du monde microscopique jouent un rôle.

Les expériences menées à la TU Wien se situent dans cet entre-deux compliqué : Des morceaux d'or extrêmement petits, composés de quelques milliers d'atomes et d'un diamètre de l'ordre de dix nanomètres, sont bombardés avec des ions fortement chargés. Il est ainsi possible de modifier de manière ciblée la forme et la taille de ces morceaux d'or. Les résultats le montrent : Ce qui se passe dans le processus ne peut pas être simplement imaginé comme l'impact d'une balle de golf dans un bunker de sable - l'interaction entre l'ion et le morceau d'or est beaucoup plus subtile.

Transfert d'énergie par bombardement ionique

"Nous travaillons avec des atomes de xénon multi-ionisés. Jusqu'à 40 électrons sont retirés de ces atomes, ce qui leur confère une forte charge électrique", explique le professeur Richard Wilhelm, de l'Institut de physique appliquée de l'Université technique de Vienne (TU Wien). Ces ions hautement chargés frappent ensuite de petits îlots d'or placés sur un substrat isolant - et différentes choses peuvent alors se produire : Les îlots d'or peuvent s'aplatir, fondre ou 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, de l'ordre de 500 kilomètres par seconde. Néanmoins, ce n'est pas la force de l'impact qui modifie 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 îlots d'or avec la même énergie cinétique, les îlots d'or restent pratiquement inchangés", explique Gabriel Szabo. "Le facteur décisif n'est donc pas l'énergie cinétique, mais la charge électrique des ions. Cette charge est également porteuse d'énergie et elle se dépose exactement au point d'impact".

Modifications de la structure électronique

Dès que les ions très fortement chargés positivement frappent le nanopièce d'or, ils arrachent des électrons à l'or. Dans un grand morceau d'or, cela n'aurait pas d'effet significatif : L'or est un excellent conducteur, les électrons peuvent se déplacer librement et d'autres électrons seraient fournis par d'autres zones de la pépite d'or. Mais les nanostructures d'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 percutant est transférée à l'or, ce qui déséquilibre complètement la structure électronique de l'ensemble du nano-objet en or, les atomes commencent à bouger et la structure cristalline de l'or est détruite", explique Richard Wilhelm. "En fonction de la quantité d'énergie déposée, il peut même arriver que l'ensemble du nano-or fonde ou soit vaporisé."

Les effets du bombardement ionique peuvent ensuite 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 : "Comme nos modèles l'avaient prévu, nous pouvons contrôler l'impact des ions sur l'or, non pas par la vitesse que nous donnons à nos projectiles, mais par leur charge.

Un meilleur contrôle et une compréhension plus approfondie de ces processus sont importants pour la fabrication d'une grande variété de nanostructures. "C'est une technique qui permet de modifier sélectivement la géométrie de structures particulièrement petites. C'est tout aussi intéressant pour la création de composants microélectroniques que pour les points quantiques, de minuscules structures qui permettent d'obtenir des effets électroniques ou optiques sur mesure très spécifiques grâce à leurs propriétés physiques quantiques", explique Richard Wilhelm.

Il s'agit d'un autre aperçu du monde des choses petites mais pas encore minuscules, du monde intermédiaire aux multiples facettes entre la physique quantique et la physique de l'état solide, qui ne peut être compris qu'en gardant à l'esprit les phénomènes quantiques et de nombreuses particules en même temps.

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