On dit que les chimistes sont d'excellents cuisiniers. Surtout des matières organiques. En effet, une pincée de ceci, cette petite chose, et le plat est prêt. Mais les physiciens savent cuisiner, et même les composés inorganiques.
Yulia Terekhova, une employée du Département des sciences des matériaux des semi-conducteurs et des diélectriques de NITU MISiS, a réalisé un petit miracle scientifique: elle a amélioré les capacités des instruments les plus précis du monde: les microscopes à sonde à balayage. Maintenant, ils peuvent être utilisés pour étudier la surface de substances au niveau atomique à des températures auparavant inaccessibles. Jusqu'à présent, on ne peut que deviner à quoi cela mènera scientifiquement: puisque personne n'a vu ce qui arrive aux surfaces dans ces conditions, le résultat est encore imprévisible. Mais une chose est sûre: afin de savoir quels secrets la surface chauffée des substances les plus célèbres conserve, tous les laboratoires du monde devront changer le "cœur" d'un microscope à sonde à balayage - une plaque piézoélectrique, grâce à laquelle se déplace l'aiguille à scanner de l'appareil.
Les microscopes à sonde à balayage (SPM) sont des dispositifs de recherche scientifique qui permettent non seulement d'examiner des objets à l'échelle nanométrique, mais aussi de les manipuler avec une grande précision. Le principe de fonctionnement de ces microscopes est basé sur le "sondage" de la surface de l'échantillon étudié avec une aiguille miniature - un cantilever. Vous devez déplacer une telle aiguille de façon très précise, sur des distances de l'ordre de quelques nanomètres. À cet effet, des dispositifs spéciaux sont utilisés - des actionneurs fonctionnant sur la base de l'effet piézoélectrique. On le voit dans les briquets piézo, dans lesquels appuyer sur un bouton provoque une forte déformation du cristal de quartz et l'apparition d'une étincelle électrique. Dans les microscopes à sonde, l'effet inverse fonctionne - la tension appliquée déforme le cristal auquel l'aiguille est fixée. En faisant varier la tension, vous pouvez déplacer l'aiguille et, ligne par ligne, scanner la surface de cette manière.
Maintenant, dans la plupart des microscopes à sonde à balayage, des tubes en titanate de zirconate de plomb (PZT) sont utilisés comme piézoélectriques. Il présente de nombreux avantages par rapport à ses concurrents, mais il n'est pas parfait. Par exemple, en raison d'un phénomène tel que l'hystérésis mécanique, le cantilever pendant le balayage peut se déplacer vers un point imprévisible, et la faible résistance du piézoélectrique aux changements de température conduit au fait que les résultats expérimentaux dépendent du "temps" dans le laboratoire.
Julia a suggéré à la place des céramiques PZT d'utiliser un nouveau matériau développé au Département des sciences des matériaux des semi-conducteurs et des diélectriques - des monocristaux de niobate de lithium bidoménon pour déplacer le cantilever.
Le niobate de lithium lui-même est connu depuis longtemps - les premiers échantillons ont été obtenus dans les années 60 du siècle dernier indépendamment par des scientifiques de l'URSS et des États-Unis pour une utilisation dans les lasers et autres appareils optiques. En plus de caractéristiques optiques exceptionnelles, le niobate de lithium présente également des propriétés piézoélectriques et ne présente pas les inconvénients inhérents à la céramique PZT.
Les caractéristiques piézoélectriques du niobate de lithium sont d'un ordre de grandeur pire que celui des piézocéramiques, qui jusqu'à récemment ne permettaient pas son utilisation dans les microscopes à sonde à balayage: trop de tension devait être appliquée au niobate pour déplacer l'aiguille cantilever sur une distance suffisante. Mais un groupe de scientifiques de NUST «MISiS» a pu résoudre ce problème. Une fine plaque cristalline de niobate de lithium est recuite de sorte que deux régions du même volume (domaines) y sont formées, qui, lorsqu'un champ électrique est appliqué, se déforment différemment. Ces cristaux sont appelés bi-domaine. Après avoir correctement sélectionné la géométrie et l'orientation de la plaque, il a été possible d'obtenir des déplacements importants du cantilever à de faibles tensions de commande.
Grâce à l'utilisation de cristaux de niobate de lithium bi-domaine, les images sont devenues plus claires. De plus, il est devenu possible d'étudier des surfaces à des températures inaccessibles pour les céramiques PZT. Il cesse d'être piézoélectrique déjà à 150 - 200 ° C, et le niobate conserve des propriétés jusqu'à 450 ° C, ce qui nous permet d'étudier les changements de la surface scannée pendant le chauffage, par exemple.
Selon les termes du concours "U.M.N.I.K." Le Fonds de promotion de l'innovation, que Julia Terekhova a remporté avec son projet, elle y travaillera pendant deux ans. En ce moment, elle optimise un échantillon de laboratoire du premier du genre «noyau» pour un microscope. Le résultat de l'étude devrait être un dispositif fini capable de remplacer les systèmes de déplacement obsolètes dans les microscopes à sonde à balayage.