Micros tubes de silicium en hélice

 

Le motif hélicoïdal est présent dans de nombreuses structures naturelle et synthétiques.

En se basant sur différentes techniques de préparation, de nanotubes de carbone hélicoïdaux ont déjà pu être préparé de même que des structures en double hélice.

En revanche aucune structure en silicium de ce type n’a été préparée.

 

L’équipe menée par Haruhiko Morito a récemment mis au point une méthode de synthèse de ces structures.

Un disque de NaSi est placé dans un four, la température est progressivement augmentée de 25 à 800°C (en 1 heure) puis la température maximale est maintenue à 800°C pendant 12h permettant l’évaporation du sodium contenu dans le disque.

Des filaments de silicium apparaissent  alors à la surface du disque, d’un diamètre compris entre 10 et 50 μm pour une longueur comprise entre quelques centaines de micromètres jusqu’à 2,5 mm. Ces fils sont caractérisés par une structure hélicoïdale tournant dans un sens ou dans l’autre, avec différentes surfaces.

 

Figure 1 : Photographies obtenues microscopie électronique. A) Vue globale de l’une des hélices. Zoom sur des hélices : (B) Rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, (C) Rotation dans le sens des aiguilles d’une montre, (D) Surface lisse.

 

Les chercheurs ont proposé un mécanisme rendant compte de la formation de ces hélices.

Dans un premier temps le disque de NaSi est préparé en compactant du NaSi en poudre sous atmosphère d’argon. La pastille ainsi formée referme de petites bulles d’argon, emprisonnées dans la matrice.

Lors de l’augmentation de température dans le four, le silicium cristallise lentenement et le sodium va se vaporiser à travers tous les interstices du disque. A environ 750°C (température de fusion de l’eutectique), la surface du disque est recouverte de grains de silicium, des portions de NaSi fondu et des bulles d’argon restant encore piégées dans la matrice.

Prenons une portion de NaSi fondu renfermant des bulles d’argon, dont l’accès à la surface du disque est bouché par un grain de silicium.

En augmentant encore la température de 750° C à 800°C, la pression des bulles d’argon augmente et la partie fondue enchaîner par les bulles remonte à la surface, dissolvant le grain de silicium qui se recristallise par la suite dans le disque.

Une fois la partie fondue exposée à la surface, le sodium s’évapore et une fine couche de grains de silicium recouvre la surface fondue.

Si la pression dans la partie fondue est suffisante, la partie fondue est poussée vers le haut et va former un tube par évaporation du sodium. Cependant le volume du tube diminue rapidement par évaporation du sodium et le tube va alors se replier sur lui-même en un mouvement de torsion, formant l’hélice.

 

Figure 2 : Mécanisme de formation de l’hélice. A) Disque recouvert de grains de silicium laissant s’évaporer une partie du sodium et de l’argon. B) Partie fondue coincée sous un grain de silicium. C) Poussée du grain de silicium par la partie fondue en dessous. D) Montée du tube. E) Torsion du tube en hélice.

 

Des expériences supplémentaires sont prévues pour tenter de valider le mécanisme invoqué. Les propriétés de ces micros hélices de silicium sont également à l’étude.

 

 

Source : Morito, H., Yamane H., Angew. Chem. Int. Ed., 2010, DOI : 10.1002/anie.100907271