Des chercheurs du Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse¹, du Laboratoire de minéralogie et de cristallographie de Paris², de l'Unité mixte CNRS-Saint-Gobain "Surface du verre et interfaces"³ et du Centre de recherche de la société Corning à Fontainebleau ont pu simuler le processus photographique avec un faisceau d'ions. Ils ont montré qu'à température ambiante, l'irradiation de verres contenant des oxydes métalliques avec des ions d'énergie de quelques mégaélectronvolts (MeV) initie la germination de nanoagrégats de métal pur avec un contrôle parfait de leur densité, et qu'un excellent contrôle de leur taille pouvait être obtenu ensuite par traitement thermique.

La plupart des belles teintes dans les vitraux⁴ des cathédrales sont dues à la présence de micro- ou nanocristaux. L'origine de ces couleurs fut découverte par Faraday dès 1853 ; Gustav Mie en fit l'analyse théorique en 1907. Cependant, le mécanisme de formation des agrégats était obscurci par la chimie complexe des verres.

D.R.

Image de microscopie électronique montrant un agrégat au sein du verre.

En irradiant avec des ions (de quelques MeV d'énergie) à température ambiante un verre contenant un oxyde métallique, les chercheurs ont montré qu'il est possible d'initier la germination de nanoagrégats de métal pur avec un contrôle parfait de leur densité. De plus, ces agrégats ne croissent qu'en chauffant l'échantillon, ce qui permet un contrôle fin de leur taille. Ce mécanisme est l'analogue du processus photographique, dans lequel des particules de lumière (photons) frappent des sels métalliques inclus dans une émulsion. Ils libèrent ainsi les atomes métalliques et provoquent la germination d'agrégats (l'image latente) ; dans le révélateur, ces agrégats croissent pour former des pixels visibles. Ici, les ions remplacent les photons et le révélateur est simplement ... la chaleur.

Deux avantages essentiels de la méthode utilisant les faisceaux d'ions sont que la densité de germes dans "l'image latente" peut être prédite exactement, et que les techniques habituelles de lithographie peuvent être utilisées pour dessiner une distribution spatiale d'agrégats dans le verre. Ces deux aspects pourraient conduire à des applications en optoélectronique. Par exemple, la présence de nanocristaux dans la silice a pour conséquence de rendre son indice de réfraction dépendant de l'intensité du rayonnement (et pas seulement de sa longueur d'onde). Ces propriétés non-linéaires permettent de fabriquer des "interrupteurs optiques" : après avoir fait propager dans une fibre optique une haute densité de signaux de longueurs d'ondes différentes, un tel "interrupteur" (combiné à un aiguilleur) permet d'éliminer sélectivement certaines longueurs d'ondes et de faire finalement parvenir au destinataire le signal unique qui lui était destiné.

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