Les avancées technologiques dans le domaine de l’électronique miniaturisée nécessitent des outils d’analyse toujours plus précis. Une équipe de physiciens américains a développé une nouvelle technique combinant microscopie haute résolution et lasers ultrarapides, ouvrant la voie à une meilleure compréhension des matériaux semi-conducteurs à l’échelle atomique.
La technique novatrice permet aux chercheurs de repérer les atomes «défectueux» dans les semi-conducteurs avec une précision inégalée. En physique des semi-conducteurs, ces atomes sont qualifiés de « défauts », bien qu’ils soient généralement ajoutés intentionnellement et jouent un rôle crucial dans les performances des semi-conducteurs modernes et futurs.
Tyler Cocker responsable de l’étude, souligne l’importance de cette avancée : «Cette technique est particulièrement pertinente pour les composants dotés de structures nanométriques.»
Les puces informatiques, qui utilisent couramment des semi-conducteurs avec des caractéristiques nanométriques, sont directement concernées par cette innovation.
Les chercheurs de l’Université de l’État du Michigan travaillent actuellement sur des matériaux d’une épaisseur d’un seul atome, poussant l’architecture nanométrique à l’extrême. Tyler Cocker affirme : «Ces matériaux nanoscopiques représentent l’avenir des semi-conducteurs. Lorsque l’on dispose d’une électronique nanométrique, il est crucial de s’assurer que les électrons peuvent se déplacer comme on le souhaite.»
Les défauts jouent un rôle majeur dans le mouvement des électrons, d’où l’intérêt des scientifiques à connaître précisément leur emplacement et leur comportement. La nouvelle technique développée par l’équipe de Cocker permet d’obtenir facilement ces informations, suscitant l’enthousiasme de la communauté scientifique.
La méthode combine l’utilisation d’un microscope à effet tunnel (STM) et de pulsations laser à fréquence térahertz. Cette approche permet de détecter les défauts atomiques avec une sensibilité sans précédent, notamment dans l’arséniure de gallium, un matériau semi-conducteur important utilisé dans les systèmes radar, les cellules solaires à haute efficacité et les dispositifs de télécommunication modernes.
L’équipe de Cocker a appliqué cette technique à des échantillons d’arséniure de gallium intentionnellement infusés d’atomes de silicium défectueux pour ajuster le mouvement des électrons dans le semi-conducteur. Les résultats obtenus ont permis de visualiser directement ces défauts atomiques uniques, une première dans le domaine.
La technique s’avère simple à mettre en œuvre avec l’équipement approprié. Les chercheurs l’appliquent déjà à des matériaux d’une épaisseur atomique, tels que les nanorubans de graphène.
Tyler Cocker précise pour conclure : «Nous avons plusieurs projets en cours où nous utilisons cette technique avec davantage de matériaux, y compris des matériaux plus exotiques. Nous l’intégrons pratiquement à tout ce que nous faisons et l’utilisons comme une technique standard.»
Article : « Atomic-scale terahertz time-domain spectroscopy » – DOI: 10.1038/s41566-024-01467-2
Légende illustration : L’université de l’État du Michigan a combiné la lumière laser térahertz, représentée par une flèche ondulée rouge, avec la pointe d’un microscope à effet tunnel (STM) – la forme pyramidale sombre échangeant un électron rouge avec un échantillon dont la surface est bleue. Crédit : Eve Ammerman
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