En piégeant la lumière suivant deux ou trois directions respectivement, les nanofils et les boîtes quantiques permettent de réaliser des émetteurs de photons uniques pour les communications quantiques.
Des chercheurs de l'Irig et de l'Institut Néel à Grenoble étudient de telles nanostructures en semi-conducteur II-VI, associant un métal de la 2e colonne du tableau périodique (zinc ou cadmium) et un chalcogène de la 6e (sélénium ou tellure). Pour les fabriquer, ils recourent à l'épitaxie par jet moléculaire (MBE), une technique longtemps limitée à la croissance de structures planes. Ce procédé a en effet l'avantage de produire des interfaces abruptes lors de l'insertion d'une boîte quantique (obtenue en changeant rapidement la composition du faisceau moléculaire).
Pour savoir s'il est possible de contrôler finement la croissance de nanostructures tridimensionnelles par MBE, ils ont observé la croissance in situ de nanofils en ZnTe, grâce à une technique de microscopie électronique par transmission (NanoMAX), au Centre de Nanoscience et de Nanotechnologie, à Palaiseau.
Un procédé « vapeur-solide-solide »
La croissance des nanofils est amorcée sous une gouttelette métallique (ou une nanoparticule métallique) de quelques nanomètres de diamètre, qui détermine la section du nanofil. Ce procédé de dépôt « vapeur-liquide-solide » combine trois phases :
- vapeur dans le faisceau moléculaire,
- liquide dans la gouttelette d'or servant de guide à la croissance du nanofil,
- solide dans le nanofil en croissance.
Dans le cas présent où la gouttelette est remplacée par une nanoparticule d'or, le dépôt est de type « vapeur-solide-solide ».
Comment croissent les nanofils
Les scientifiques ont étudié la nucléation (ou apparition) de petits domaines la nouvelle phase, puis leur propagation le long de l'interface nanofil-nanoparticule.
Ils observent que le paramètre de maille à l'interface nanofil-nanoparticule joue un rôle original.
Les cristaux d'or et de ZnTe présentent le même réseau cristallin, mais la maille élémentaire de ZnTe est 3/2 fois plus grande que celle de l'or. Lorsque la monocouche d'or située à l'interface est progressivement remplacée par une monocouche de ZnTe, une forte contrainte de désaccord de maille apparaît au niveau de la marche, en s'opposant à la formation de cette marche. Mais il existe une autre configuration – constituée de deux monocouches de ZnTe faisant face à trois monocouches d'or – qui annule pratiquement le désaccord de maille. Ainsi, l'énergie de déformation devenant négligeable, cette deuxième configuration s'impose.
L'étude à NanoMAX a révélé que la croissance de ZnTe se déroule essentiellement par la nucléation et la propagation de marches à deux monocouches. De plus, les chercheurs observent que la vitesse de croissance (incluant nucléation et propagation des domaines) est constante. La croissance « vapeur-solide-solide » est ainsi auto-régulée.