Bien que la nanotechnologie et la science des matériaux soient des sujets compliqués pour la plupart d’entre nous, la recherche dans ces domaines est d’une grande importance pour presque tout le monde. Vos gadgets numériques, par exemple, en dépendent complètement.

Aujourd’hui, toute la microélectronique dépend des semi-conducteurs. Ce sont des matériaux qui ne sont pas très bons pour conduire l’électricité. Mais vous pouvez leur ajouter de petites quantités d’autres substances, un processus connu sous le nom de dopage. Cela améliore les performances du semi-conducteur afin qu’il ne soit pas si mauvais après tout.

« Dans le passé, nous avons dopé les semi-conducteurs et nous avons constaté que cela modifiait radicalement les propriétés électriques du matériau », explique Ph.D. candidat Kasper Aas Hunnestad au département de science et génie des matériaux de NTNU.

Tout cela est bien et bon. C’est bien quand quelque chose fonctionne. Mais au-delà du fait que cela fonctionne, nous n’avons pas toujours très bien compris pourquoi cela fonctionne. Cela est particulièrement vrai au niveau atomique.

« Maintenant, nous savons beaucoup mieux comment nous pouvons imager les atomes ajoutés individuels, qui étaient auparavant presque impossibles à trouver. Cela nous donne un nouvel aperçu et nous permet de comprendre comment ils affectent les propriétés de ce matériau », explique Hunnestad.

Pourquoi « savoir pourquoi » est aussi important

Et alors? Pourquoi diable devrions-nous nous soucier des atomes uniques et pourquoi quelque chose fonctionne ? N’est-il pas suffisant de savoir que cela fonctionne ? Si tel était le cas, les physiciens et les chimistes s’amuseraient certainement à faire la recherche, mais le reste d’entre nous n’en profiterait pas beaucoup.

« Ce n’est que lorsque vous en savez plus sur le fonctionnement de quelque chose que vous pouvez manipuler le matériau et l’optimiser », déclare Dennis Meier. Il est professeur au Département de science et génie des matériaux de NTNU, qui a dirigé le projet.

De cette façon, par exemple, vous pouvez fabriquer des matériaux plus efficaces, respectueux de l’environnement ou moins chers pour le travail à faire. Ou vous pouvez attribuer de nouvelles propriétés à un matériau dont vous disposez déjà avec une précision beaucoup plus grande. Ceci est également essentiel pour le développement de futurs matériaux pour une technologie durable.

« Souvent, nous souhaitons introduire de nouvelles fonctionnalités dans les matériaux. Pour cela, nous devons savoir exactement quel rôle joue chaque atome », explique Meier.

Des techniques d’imagerie avancées permettent

Hunnestad et ses collègues présentent les résultats de très nombreuses heures de travail en utilisant « tomographie par sonde atomique » (APT) dans un récent article de Communication Nature.

APT est un équipement de pointe avancé que NTNU a acquis il y a quelques années. La machine peut fournir une représentation tridimensionnelle de ce à quoi ressemble un matériau, jusqu’au niveau atomique, explique Constantinos Hatzoglou. Il est ingénieur senior au laboratoire APT du Département de Science et Génie des Matériaux.

Hunnestad et ses collègues ont utilisé cette capacité exceptionnelle pour étudier un nouveau type de semi-conducteur à base d’oxyde auquel de très petites quantités d’une substance ont été ajoutées pour adapter ses propriétés.

« Les techniques de microscopie conventionnelles ne nous permettaient pas d’observer comment de petites quantités d’additifs se positionnaient dans les semi-conducteurs », explique Hunnestad. Les nouveaux résultats montrent que l’investissement dans les meilleurs équipements techniques, tels que cette machine APT, est extrêmement rentable et permet des recherches révolutionnaires.

Montre l’énorme potentiel

La recherche n’est toujours pas vraiment facile avec APT non plus. Mais en réunissant des collègues aux parcours expérimentaux et théoriques différents, ainsi qu’un travail acharné et inspiré, l’équipe NTNU a trouvé des solutions.

« Ce n’est pas seulement une réalisation merveilleuse. Cela montre également la énorme potentiel de la technique APT pour les domaines de recherche où elle n’a pas été appliquée auparavant. Cela montre les opportunités uniques que nous avons grâce à l’infrastructure moderne disponible dans le NanoLab et le TEM Gemini Center de NTNU », déclare Meier.

Hunnestad travaille avec APT depuis environ trois ans. Il a effectué de nombreuses mesures de microscopie corrélée, soutenu par Antonius van Helvoort et Per Erik Vullum. Van Helvoord est professeur au département de physique de NTNU et expert en microscopie électronique à haute résolution, tandis que Vullum est professeur II à NTNU, département de physique et chercheur principal à SINTEF Industry.

Hunnestad et Meier sont enthousiasmés par toutes les possibilités fascinantes qui ont déjà émergé de leurs recherches basées sur l’APT et les nouvelles perspectives pour la caractérisation des matériaux fonctionnels à l’échelle atomique.

Imagerie d’atomes de titane individuels mélangés dans un semi-conducteur

Pour leur récent article, le groupe de recherche s’est penché sur le semi-conducteur à base d’oxyde Er(Mn,Ti)O₃. À cette fin, leurs collaborateurs du Lawrence Berkeley National Laboratory aux États-Unis ont ajouté de minuscules quantités de l’élément titane (Ti) au manganate d’erbium (ErMnO3).

« Avec la sonde atomique, nous pouvons obtenir une représentation tridimensionnelle de la façon dont les atomes de titane sont positionnés dans le semi-conducteur », explique Meier. « Cela nous permet de relier les nouvelles propriétés électriques du matériau jusqu’aux atomes individuels. »

Le Dr Muhammad Zeeshan Khalid est membre de l’équipe dirigée par Sverre Selbach, professeur au Département de science et d’ingénierie des matériaux de NTNU. Il a complété les expériences par des calculs. Ces calculs permettent de mieux comprendre les effets que les atomes individuels peuvent avoir sur les propriétés physiques.

L’un des avantages de ce que les chercheurs ont fait est qu’ils peuvent également utiliser la méthode sur de nombreuses autres substances. Ce n’est pas seulement limité aux substances que l’équipe de recherche de NTNU a expérimentées.

« Les procédures et les résultats sont d’un grand intérêt. Ils peuvent étendre notre compréhension des semi-conducteurs à base d’oxyde et des matériaux fonctionnels en général. La recherche ouvre de toutes nouvelles portes », a déclaré Meier.

L’approche coopérative renforce la recherche

De nombreuses personnes de différents départements de NTNU ont contribué à rendre possible cette percée scientifique. Le SINTEF, le Conseil norvégien de la recherche, l’installation norvégienne de micro- et nano-fabrication (NorFab), le Laboratoire norvégien de caractérisation des minéraux et des matériaux (MiMaC), le Centre norvégien de microscopie électronique à transmission (NORTEM) et NTNU Nano ont soutenu les travaux.

Les chercheurs soulignent que cet effort de collaboration met bien en valeur la force de la recherche interdisciplinaire. Il montre ce qui peut être accompli avec une solide infrastructure de pointe.

Les détails de la façon dont Hunnestad a obtenu des résultats aussi exceptionnels ne sont probablement pas faciles à digérer pour la plupart d’entre nous. Mais le lien vers l’article de recherche ci-dessous vous donnera quelque chose à mâcher si vous voulez creuser.