Les atomes préfèrent le froid !

La dissipation d’énergie électrique en chaleur, connue aussi sous le nom d’« effet Joule », est inévitable dans tout appareil électrique, et notamment dans nos ordinateurs et nos téléphones portables. Ce phénomène est à l’origine de points chauds dans les composants et connexions électroniques qui ont des conséquences néfastes sur leur fonctionnement et leur durée de vie. En effet, les variations locales de température entraînent un transport de matière de surface par un phénomène appelé thermomigration. Ce transport de matière conduit à la modification progressive des performances des composants et peut même induire la rupture des connexions électriques, induisant des pannes dans nos appareils. En outre, sur le plan fondamental, ce processus physique est très difficile à quantifier expérimentalement et à appréhender théoriquement. 

Dans une étude expérimentale récente, des chercheurs du Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM, Université Aix-Marseille / CNRS) ont proposé une méthode originale pour quantifier avec précision la thermomigration, en utilisant le silicium, qui pour ce phénomène se comporte comme un matériau modèle. La qualité cristalline exceptionnelle de la surface du silicium permet en effet de décrire précisément les processus élémentaires de thermomigration.  L’échantillon de silicium, une surface carrée de 9 millimètres de côté, a été soumis à un gradient thermique de 10⁰C par millimètre et à une température moyenne de 830°C et a été observé en temps réel par microscopie à électrons lents. Avec cette technique, le déplacement des atomes ne peut pas être suivi individuellement, mais il a pu néanmoins être inféré en suivant le déplacement des défauts de surface, des dépressions d’épaisseur monoatomique qui agissent comme des sources et des puits pour la migration surfacique des atomes. Les chercheurs ont ainsi non seulement montré que les atomes se déplacent vers les zones froides de la surface, mais ont même mesuré leur vitesse, de l’ordre de 2 nanomètres par seconde, une valeur extrêmement faible au regard des vitesses typiques liées à l’agitation thermique. Ils ont pu en déduire aussi la valeur moyenne de la force responsable de la thermomigration.

Ce travail expérimental pionnier servira sans doute de référence pour de futures études expérimentales et théoriques dans ce domaine. Les résultats obtenus permettent également d’envisager d’utiliser la thermomigration pour contrôler le déplacement en surface des atomes et donc pour produire des assemblages atomiques contrôlés en utilisant par exemple un chauffage local par laser. Ces résultats sont publiés dans les Physical Review Letters.