Des chercheurs utilisent une membrane dorée pour extraire les secrets des surfaces

Grâce à une membrane dorée spéciale très fine, les chercheurs de l’ETH ont facilité considérablement l’étude des surfaces. La membrane permet de mesurer des propriétés de surfaces inaccessibles aux méthodes conventionnelles.

«Les surfaces ont été inventées par le diable»: cette citation est attribuée au physicien théoricien Wolfgang Pauli, qui a enseigné pendant de nombreuses années à l’ETH Zurich et qui a reçu en 1945 le prix Nobel de physique pour ses contributions à la mécanique quantique. Les chercheurs ont effectivement du mal avec les surfaces. D’une part, ils sont extrêmement importants tant dans leur nature animée qu’inanimée, mais d’un autre côté, il peut être diablement difficile de les étudier avec des méthodes conventionnelles.

Une équipe interdisciplinaire de scientifiques des matériaux et d’ingénieurs électriciens dirigée par Lukas Novotny, professeur de photonique à l’ETH Zurich, en collaboration avec des collègues de l’Université Humboldt de Berlin, a développé une méthode qui facilitera considérablement la caractérisation des surfaces à l’avenir.

Ils ont récemment publié les résultats de leurs recherches, basées sur une membrane d’or extrêmement fine, dans la revue scientifique Communications naturelles.

Les surfaces sont importantes pour la fonctionnalité

“Qu’il s’agisse de catalyseurs, de cellules solaires ou de batteries, les surfaces sont toujours extrêmement importantes pour leur fonctionnalité”, explique Roman Wyss, ancien doctorant. étudiant en science des matériaux et premier auteur de l’article, qui travaille désormais comme chercheur au sein de la spin-off de l’ETH Enantios.

La raison de cette pertinence est que des processus importants se déroulent généralement au niveau des interfaces. Pour les catalyseurs, ces processus sont des réactions chimiques accélérées à leur surface. Dans les batteries, les propriétés de surface des électrodes sont cruciales pour leur efficacité et leur comportement en matière de dégradation.

Depuis de nombreuses années, les chercheurs utilisent la spectroscopie Raman pour examiner les propriétés des matériaux de manière non destructive, c’est-à-dire sans détruire le matériau au cours du processus. En spectroscopie Raman, un faisceau laser est envoyé sur le matériau et la lumière réfléchie est analysée.

Des propriétés de la lumière réfléchie, dont le spectre de fréquences a été modifié par les vibrations des molécules du matériau, on peut tirer des conclusions à la fois sur la composition chimique de l’objet considéré, également appelée empreinte chimique, ainsi que sur les propriétés mécaniques de l’objet considéré. effets tels que la tension.

Membrane dorée avec de minuscules pores

“C’est une méthode très puissante, mais elle ne peut être appliquée qu’à des surfaces présentant de fortes limitations”, explique Sebastian Heeg, qui a contribué aux expériences en tant que postdoctorant dans le groupe de Lukas Novotny et qui dirige désormais un groupe de recherche junior à la Humboldt-Universität.

Étant donné que dans la spectroscopie Raman, la lumière laser pénètre le matériau de plusieurs micromètres, le spectre de fréquences est principalement affecté par la masse du matériau et seulement dans une très faible mesure par sa surface, qui ne comprend que quelques couches atomiques.

Afin d’exploiter également la spectroscopie Raman pour les surfaces, les chercheurs de l’ETH ont développé une membrane en or spéciale de seulement 20 nanomètres d’épaisseur et contenant des pores allongés d’environ 100 nanomètres.

Lorsqu’une telle membrane est transférée sur une surface à étudier, deux choses se produisent. Premièrement, la membrane empêche le faisceau laser de pénétrer dans le volume du matériau. Deuxièmement, aux emplacements des pores, la lumière laser est concentrée et ré-irradiée sur quelques nanomètres seulement dans la surface.

Amplification du signal mille fois supérieure

“Les pores agissent comme des antennes plasmoniques, tout comme l’antenne d’un téléphone portable”, explique Heeg. L’antenne amplifie le signal Raman de la surface jusqu’à mille fois par rapport au signal de la spectroscopie Raman conventionnelle sans membrane. Heeg et ses collègues ont pu le démontrer sur un certain nombre de matériaux, notamment le silicium contraint et l’oxyde de nickel de lanthane cristallin de pérovskite (LaNiO₃).

Le silicium contraint est important pour les applications dans les technologies quantiques, mais jusqu’à présent, il n’a pas été possible de sonder la déformation par spectroscopie Raman car le signal produit par la surface était masqué par le bruit de fond de la mesure.

Une fois la membrane en or appliquée, le signal de déformation a été amplifié sélectivement au point de pouvoir être clairement distingué des autres signaux Raman du matériau.

L’oxyde de nickel et de lanthane pérovskite métallique, quant à lui, est un matériau important pour la production d’électrodes.

“Le couplage fort entre sa structure cristalline et la conductivité électrique permet de contrôler la conductivité en modifiant l’épaisseur de l’électrode à l’échelle nanométrique. La structure de la surface, présume-t-on, joue ici un rôle essentiel”, explique Mads Weber, ancien chercheur. postdoc à l’ETH Zurich et aujourd’hui professeur assistant à l’Université du Mans, qui étudie cette classe de matériaux et a également participé à l’étude.

Grâce à la nouvelle méthode de la membrane d’or, les chercheurs ont pu pour la première fois accéder à la structure superficielle de l’oxyde de nickel et de lanthane.

“Notre approche est également intéressante du point de vue de la durabilité, car les équipements Raman existants peuvent acquérir des capacités complètement nouvelles sans trop d’effort”, explique Heeg.

À l’avenir, les chercheurs souhaitent améliorer encore leur méthode et l’adapter aux demandes des utilisateurs. Par exemple, les pores de la membrane d’or ont actuellement des tailles différentes et sont orientés de manière aléatoire.

En produisant une membrane en or avec des pores de taille égale alignés en parallèle, la méthode pourrait être optimisée pour des matériaux spécifiques, ce qui améliorerait la force du signal Raman d’un facteur cent supplémentaire.