Des chercheurs du CIMAP (UMR CEA-CNRS-ENSICAEN-Université de Caen Normandie), en collaboration avec le GREYC (UMR CNRS-ENSICAEN-Université de Caen Normandie), montrent qu’un faisceau d’ions peut structurer spontanément la surface du SrTiO₃ en motifs réguliers à l’échelle nanométrique, tout en analysant leurs effets sur la structure du matériau.
Façonner la surface des matériaux à très petite échelle (quelques dizaines de nanomètres) est un enjeu important pour de futures applications en électronique ou en optique. Une méthode consiste à bombarder la surface avec des ions, c’est-à-dire des particules chargées. Sous certaines conditions, ce bombardement ne creuse pas la surface de manière aléatoire : il peut au contraire faire apparaître spontanément des motifs réguliers, un peu comme de très fines vagues. Ce phénomène est bien connu pour certains matériaux, mais reste encore peu étudié pour des oxydes complexes comme le SrTiO₃.
Dans ce travail, les chercheurs ont irradié du SrTiO₃ avec des ions argon de faible énergie. Ils observent que la surface développe des « rides » régulières, toutes orientées dans la même direction. La distance entre deux rides est d’environ 140 à 150 nanomètres (soit mille fois plus petit qu’un cheveu) et reste quasiment la même, même lorsque l’irradiation est prolongée. En revanche, la hauteur de ces rides augmente progressivement, passant de fractions de nanomètre à quelques nanomètres : la surface devient donc de plus en plus ondulée.
Schéma de l’irradiation- Image STEM de l’échantillon irradié (ondulations visibles en surface)- Cartographies chimiques par EELS
Ce bombardement ne modifie pas seulement la forme de la surface : il perturbe aussi l’organisation des atomes juste en dessous. Sur une épaisseur d’environ une dizaine de nanomètres, le matériau devient désordonné (on parle de couche amorphe). De plus, certains éléments du matériau, comme le strontium et l’oxygène, sont partiellement retirés, tandis que des atomes d’argon restent piégés sous la surface. Ces effets restent toutefois limités à cette fine couche superficielle.
Les chercheurs ont ensuite chauffé le matériau pour voir si ces modifications persistent. Après chauffage, les atomes retrouvent en grande partie leur organisation initiale : le cristal se “répare”. Pourtant, les rides à la surface sont toujours présentes, avec des dimensions similaires. Autrement dit, la forme de la surface reste stable, même lorsque la structure interne se réorganise.
Images AFM de l’échantillon irradié avant et après recuit à 730°C (ondulations préservées après recuit)- Cartographies chimiques par EELS de l’échantillon recuit (top surface déplétée en Sr)
Ce résultat montre qu’il est possible de créer facilement des motifs réguliers à très petite échelle sur des surfaces d’oxydes, sans techniques de fabrication complexes. Ces surfaces structurées pourraient ensuite servir de support pour déposer d’autres matériaux en contrôlant leur croissance, ou pour modifier certaines propriétés physiques. L’étude met toutefois en évidence que cette structuration s’accompagne de transformations locales du matériau, qu’il est important de prendre en compte.
Référence
Mohammad S. Jamal; Isabelle Monnet; Jimmy Rangama; Victor Pierron; Bruno Guillet; Stéphane Guillous; Stéphane Flament; Emmanuel Balanzat; Laurence Méchin; Mamour Sall, Small (2026): e11071, Nanoscale Ripples at the Surface of SrTiO3 Irradiated by a Broad Low‐Energy Ar+ (7 keV) Ion Beam.
Collaboration
Contact CEA
- Mamour Sall, Centre de recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique – CIMAP.