Cluster

En physique, le mot anglais cluster est utilisé pour désigner des agrégats : soit d'atomes pouvant contenir entre 3 et 3 10 7 atomes et liés chimiquement entre eux, soit d'électrons de 10 3 à 10 12 dans un volume de l'ordre d'une molécule.

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Cet article traite des clusters du point de vue de la physique des matériaux ; pour la chimie des clusters, se reporter à l'article Agrégat atomique.

En physique, le mot anglais cluster est utilisé pour désigner des agrégats : soit d'atomes pouvant contenir entre 3 et 3 $\cdot$ 10⁷ atomes et liés chimiquement entre eux, soit d'électrons de 10³ à 10¹² dans un volume de l'ordre d'une molécule^[1]. Cependant ces limites peuvent fluctuer, quelquefois les agrégats de deux atomes sont inclus et quelquefois le nombre d'atomes limite est 10⁵ atomes.

Intérêt des clusters

Les propriétés des atomes et des solides macroscopiques sont actuellement bien connues dans de nombreux domaines. Mais il peut être intéressant d'observer l'évolution de ces propriétés selon le nombre d'atomes pour des structures de taille intermédiaire. C'est une manière de faire le lien entre les connaissances à petite et grande échelle.

D'autre part, certaines propriétés d'un solide dépendent fortement de la taille, à l'échelle des clusters. Il est par conséquent envisageable de rechercher une taille qui donne des propriétés recherchées ou intéressantes. A titre d'exemple, la température de fusion de clusters de composition chimique donnée diminue lorsque la taille diminue ^[2] le plus souvent.

Le rôle des clusters d'électrons dans les réactions de fusion non thermonucléaire a été étudié par Michel Rambaut^[3].

Fabrication de clusters

Formation en phase gazeuse

Expansion adiabatique

Le principe est de vaporiser un solide dans une chambre pourvue d'un petit trou de sortie vers une autre chambre ou la pression est plus faible. Un flux d'atomes a grande vitesse passe dans le trou, du fait de la différence de pression ils subissent une détente adiabatique, par conséquent un refroidissement, ce qui cause la condensation en cluster. Le fait que les atomes aient des vitesses proches dans le flux participe aussi a la formation d'agrégats.

Une variante de cette méthode consiste à utiliser un gaz noble dans le réservoir pour augmenter le refroidissement.

Vaporisation laser

Croissance sur une surface

Dans ce cas, on évapore des atomes de l'élément souhaité vers une surface qui formera le substrat de base. Par conséquent, la taille, la structure et l'organisation des clusters vont généralement dépendre de différents facteurs :

La température de déposition
La diffusion des atomes adsorbés (nommés fréquemment adatoms) en surface
La diffusion en bord d'îlot

Autres méthodes

Notes et références

Lehn H. Point zéro : espoir illimité ou zéro espoir. Interview France Bleu, 25 octobre 2005.
S. L. Lai, J. Y. Guo, V. Petrova, G. Ramanath, and L. H. Ailen, Phys. Rev. Lett. 77, 99 (1996)
Rambaut M. Electron clusters and nuclear fusion. Annales de la Fondation Louis de Broglie 2004 ; 29 : 1131-47.

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