Le Saint-Graal de la fabrication des nanofils

Des chercheurs de l’EPFL ont trouvé le moyen de fabriquer des nanofils sur des surfaces en silicium de façon très contrôlée et régulière. Cette découverte ouvre la porte à l’implantation concrète de nanofils sur les plateformes classiques de l’électronique. Les applications vont de l’intégration des nanolasers sur les puces électroniques à l’amélioration des panneaux solaires.

Les nanofils ont le potentiel de révolutionner notre environnement technologique. D’une taille allant de 5 à 100 nanomètres (millionième de millimètre), ces petites structures cristallines en forme d’aiguille modifient la manière dont l’électricité ou la lumière passent à travers elles.

Elles peuvent notamment émettre, concentrer ou absorber la lumière. Placées sur des puces électroniques, elles ont le potentiel de leur conférer des fonctionnalités optiques. Elles pourraient par exemple générer des lasers directement sur des puces de silicium, intégrer des émetteurs de photons uniques pour encoder de l’information et même améliorer la conversion de la lumière solaire en énergie électrique.

Or l’implantation réelle des nanofils sur des semi-conducteurs en silicium s’est jusqu’ici heurtée à un obstacle de reproductibilité : l’impossibilité de faire pousser des nanofils de façon répétée, et de manière régulière là où on le souhaite de façon précise. À l’EPFL, des chercheurs du Laboratoire des matériaux semi-conducteurs, dirigé par Anna Fontcuberta i Morral, en collaboration avec des chercheurs du MIT et l’institut IOFFE, ont trouvé une méthode pour fabriquer des réseaux de nanofils de façon ultra-contrôlée et de reproduire le processus à volonté. La clé a été de comprendre les processus au début de la croissance des nanofils. Ce que les chercheurs ont découvert va à l’encontre des théories acceptées jusqu’à présent. Ce travail est publié dans Nature Communications.

« Nous pensons que cette découverte ouvre la porte à une intégration réaliste et en série des nanofils sur des substrats de silicium », commente Anna Fontcuberta i Morral. « Jusqu’ici, la croissance des nanofils sur silicium se faisait sans reproductibilité, au cas par cas. »

Un ratio entre hauteur et largeur des trous

Traditionnellement, pour faire croître leurs nanofils, les chercheurs effectuent de minuscules trous dans de l’oxyde de silicium qu’ils remplissent d’une nanogoutte de gallium liquide, qui sera ensuite solidifiée en nanofils par l’alliage avec l’arsenic. « Cette solidification avait tendance à se faire sur les coins des trous, ce qui donnait des nanofils inclinés de façon non prédictible », indique la chercheuse. Mais comment faire pour fabriquer des nanofils de façon régulière, et de les espacer comme on le souhaite ?

Jusqu’ici, les recherches pour contrôler le processus de fabrication s’étaient surtout concentrées sur le diamètre du trou, sans résultats convaincants. Les chercheurs de l’EPFL ont démontré qu’il fallait en réalité trouver le bon ratio entre la hauteur et la largeur du trou, afin de faire croître des nanofils de façon parfaitement contrôlée. Ce ratio permet la solidification initiale en forme d’anneau au tour du trou, ce qui empêche les nanofils de partir sur un angle non perpendiculaire au substrat de silicium. Les scientifiques proposent à présent un mode d’emploi qui devrait de fonctionner pour tous les types de nanofils.

« C’est un peu comme pour la croissance d’une plante. Il lui faut de l’eau et du soleil, mais il faut gérer les quantités », illustre la chercheuse.

Grâce à cette nouvelle capacité de fabrication, la recherche sur les nanofils prend un nouvel élan, et de nouveaux échantillons devraient voir le jour prochainement.

Auteur: Laure-Anne Pessina

Crédit photo : ©Jamani Caillet / 2019 EPFL
Légende image : Deux configurations différentes de la goutte dans l’ouverture- trou totalement rempli et partiellement rempli et, en-dessous, des crystaux de GaAs formant un anneau ou un îlot sous la grosse et la petite goutte.

Références

J. Vukajlovic-Plestina, W. Kim, L. Ghisalberti, G. Varnavides, G. Tütüncuoglu, H. Potts, M. Friedl, L. Güniat, W. C. Carter, V. G. Dubrovskii, A. Fontcuberta i Morral, Fundamental aspects to localize self-catalyzed III-V nanowires on silicon, Nature Communications
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[ Article repris avec l'aimable autorisation ]

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