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Les brèves / Une équipe nippo-américaine parvient à observer des liaisons covalentes dans le silicium liquide
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2012-03-07 
Une équipe nippo-américaine parvient à observer des liaisons covalentes dans le silicium liquide

Une équipe internationale incluant la JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency), l'Université de Tokyo, le JASRI (Japan Synchrotron Research Institute), l'Institut de Technologie de Shibaura, le RIKEN et les universités américaines Princeton et Northeastern, a pour la première fois au monde réussi à observer des liaisons covalentes dans du silicium liquide. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue Physical Review Letters du 10 février 2012. Les observations de l'équipe nippo-américaine permettent de mieux comprendre certaines propriétés uniques de la structure électronique du silicium. Ceci pourrait à l'avenir déboucher sur de nouvelles applications industrielles dans le domaine des semi-conducteurs.

Ces résultats ont été obtenus au cours d'une expérience visant à étudier la structure électronique du silicium en utilisant le dispositif de lévitation électrostatique ELF (Electrostatic Levitation Furnace) et l'installation de rayonnement synchrotron SPring-8 (Super Photon Ring - 8 GeV), dans la préfecture japonaise de Hyogo. ELF a été développé par l'agence spatiale japonaise pour être embarqué à bord du module JEM/Kibo de la Station spatiale internationale en 2014 ou 2015.

Le silicium, largement utilisé en tant que matériau semi-conducteur, voit ses propriétés changer lorsqu'il fond, puisqu'il devient conducteur à l'état liquide. Un tel phénomène étant très rare, le silicium liquide est étudié depuis de nombreuses années, aussi bien pour les perspectives d'applications industrielles qu'il offre que pour son intérêt d'un point de vue purement scientifique. Une théorie récente prédit qu'abaisser la température du silicium liquide (dont le point de fusion est de 1414 degrés Celsius) d'environ 450 degrés ferait apparaître une nouvelle phase jusqu'ici inconnue de l'élément, dont les propriétés seraient très différentes de celles du silicium liquide à haute température.

Habituellement, il est admis que les liaisons chimiques entre les atomes à l'intérieur d'un métal liquide à plus de 1000 degrés Celsius sont du même type partout à l'intérieur du matériau. Toutefois, selon cette nouvelle théorie, si l'on abaisse la température du silicium liquide à 959 degrés Celsius (1232K), il serait possible d'y observer des régions de forte densité où se regrouperaient des liaisons métalliques, mais aussi des zones de faible densité où se trouveraient des liaisons covalentes. Le silicium subirait donc une transition de phase liquide-liquide. Si l'existence de cette nouvelle phase intermédiaire encore inconnue du silicium était prouvée, le fossé séparant le silicium liquide observé jusqu'à présent (métal) et le silicium cristallin (semi-conducteur) pourrait être comblé. Cela permettrait de mieux comprendre ce qu'il se passe à l'échelle atomique au niveau de l'interface liquide-solide au moment de la formation de cristaux à partir de silicium liquide, et apporterait de précieux indices pour parvenir à produire des monocristaux de silicium purs. Toutefois, cette nouvelle théorie laissait les scientifiques perplexes pour deux raisons principales: la coexistence de liaisons métalliques et de liaisons covalentes dans du silicium liquide n'avait jamais pu être observée expérimentalement, et maintenir dans un état de surfusion à 450 degrés en dessous de son point de fusion du silicium liquide est extrêmement difficile.

Afin de vérifier expérimentalement l'existence de ces liaisons covalentes à l'intérieur du silicium liquide, l'équipe de chercheurs nippo-américains a utilisé le dispositif ELF, qui permet de faire léviter et fondre du silicium sans contamination (puisqu'il lévite au moment où il entre en fusion, une éventuelle contamination par contact avec un récipient peut être évitée), et de le garder stable à l'état liquide. Le dispositif a été installé dans la ligne de lumière ("beamline") BL08W de SPring-8 afin de procéder aux expériences. Le silicium en lévitation a d'abord été chauffé au-delà de sa température de fusion, à 1514 degrés Celsius, pour le faire fondre et le maintenir à l'état liquide. Les scientifiques ont alors réalisé une mesure de la diffusion Compton par rayons X à SPring-8, afin d'examiner la configuration électronique du silicium. Ils ont ensuite procédé à des calculs ab initio pour analyser plus en détails les données de l'expérience. Les résultats de cette étude ont montré qu'une situation singulière existait à l'intérieur du silicium liquide, où des liaisons chimiques covalentes et métalliques étaient mélangées. Une analyse fonctionnelle de Wannier a en outre permis de déterminer que la proportion de liaisons covalentes était supérieure à 17%. Il s'agit du premier résultat expérimental montrant la présence de liaisons covalentes dans du silicium liquide.

La théorie selon laquelle il existerait une phase encore inconnue du silicium pourrait donc être avérée, et les scientifiques s'attachent désormais à faire apparaître cette phase de façon expérimentale. L'une des applications importantes de ces recherches concernent le domaine des semi-conducteurs. Les tranches de silicium, utilisées notamment pour la production de circuits intégrés et de transistors, sont fabriquées en faisant croître des monocristaux de silicium à partir de silicium liquide. Mieux comprendre le processus de cristallisation du silicium à partir de son état liquide rendrait possible une meilleure maîtrise de ce procédé. Les tranches actuellement produites ont un diamètre maximal de 300mm, mais les chercheurs souhaitent parvenir à repousser cette limite. En effet, un diamètre plus large permettrait de graver un plus grand nombre de puces sur une même tranche et de limiter les pertes en bord de plaque.

Source :
JAXA, communiqué de presse du 10 février 2012 [japonais] - http://www.jaxa.jp/press/2012/02/20120210_silicon_j.html

   

 

 
     

 


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