Une membrane d'or extrait les secrets des surfaces
Amplification du signal par mille
Grâce à une membrane spéciale en or très fine, les chercheurs de l'ETH ont considérablement facilité l'étude des surfaces. La membrane permet de mesurer les propriétés des surfaces qui sont inaccessibles aux méthodes conventionnelles.
"Les surfaces ont été inventées par le diable" - cette citation est attribuée au physicien théoricien Wolfgang Pauli, qui a enseigné à l'ETH de Zurich pendant de nombreuses années et a reçu en 1945 le prix Nobel de physique pour ses contributions à la mécanique quantique. Les chercheurs sont en effet confrontés à la question des surfaces. D'une part, elles sont extrêmement importantes, tant dans la nature animée qu'inanimée, mais d'autre part, il peut être extrêmement difficile de les étudier avec les méthodes conventionnelles.
Une équipe interdisciplinaire de spécialistes des matériaux et d'ingénieurs électriciens dirigée par Lukas Novotny, professeur de photonique à l'ETH Zurich, et des collègues de la Humboldt-Universität zu Berlin ont mis au point 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 page externeNature Communicationscall_made.
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 en science des matériaux et premier auteur de l'article, qui travaille aujourd'hui comme chercheur dans la société Enantios, une spin-off de l'ETH. Cette importance s'explique par le fait que des processus importants se déroulent généralement aux interfaces. Pour les catalyseurs, ces processus sont les réactions chimiques qui sont accélérées à leur surface. Dans les batteries, les propriétés de surface des électrodes sont cruciales pour leur efficacité et leur comportement 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. Dans la spectroscopie Raman, un faisceau laser est envoyé sur le matériau et la lumière réfléchie est analysée. Les propriétés de la lumière réfléchie, dont le spectre de fréquence a été modifié par les vibrations des molécules du matériau, permettent de tirer des conclusions tant sur la composition chimique de l'objet considéré - également connue sous le nom d'empreinte chimique - que sur les effets mécaniques tels que la déformation.
Membrane d'or avec de minuscules pores
"Il s'agit d'une méthode très puissante, mais elle ne peut être appliquée qu'à des surfaces fortement limitées", explique Sebastian Heeg, qui a contribué aux expériences en tant que postdoc dans le groupe de Lukas Novotny et qui dirige aujourd'hui un groupe de recherche junior à la Humboldt-Universität. Étant donné qu'en spectroscopie Raman, la lumière laser pénètre le matériau sur plusieurs micromètres, le spectre de fréquences est principalement influencé 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 la spectroscopie Raman également pour les surfaces, les chercheurs de l'ETH ont mis au point une membrane d'or spéciale d'une épaisseur de seulement 20 nanomètres et contenant des pores allongés d'une centaine de nanomètres. Lorsqu'une telle membrane est transférée sur une surface à étudier, deux choses se produisent : premièrement, la membrane empêche le rayon laser de pénétrer dans le volume du matériau. D'autre part, à l'emplacement des pores, la lumière laser est concentrée et réémise à quelques nanomètres seulement de la surface.
Un signal mille fois amplifié
"Les pores agissent comme des antennes plasmoniques, exactement comme l'antenne d'un téléphone portable", explique M. 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. M. Heeg et ses collègues ont pu le démontrer sur un certain nombre de matériaux, notamment le silicium déformé et le cristal de pérovskite oxyde de lanthane et de nickel (LaNiO3).
Le silicium déformé est important pour les applications dans les technologies quantiques, mais jusqu'à présent, il n'a pas été possible de sonder la déformation à l'aide de la spectroscopie Raman parce que le signal produit par la surface était couvert par le bruit de fond de la mesure. Après l'application de la membrane d'or, le signal de déformation a été sélectivement amplifié au point de pouvoir être clairement distingué des autres signaux Raman du matériau.
La pérovskite métallique d'oxyde de lanthane et de nickel est quant à elle un matériau important pour la production d'électrodes. "Le couplage étroit entre sa structure cristalline et sa conductivité électrique permet de contrôler la conductivité en modifiant l'épaisseur de l'électrode à l'échelle du nanomètre. La structure de la surface, on le suppose, joue ici un rôle essentiel", explique Mads Weber, ancien postdoc à l'ETH de 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 de la surface de l'oxyde de lanthane et de nickel.
"Notre approche est également intéressante du point de vue de la durabilité, car l'équipement Raman existant peut acquérir de toutes nouvelles capacités sans trop d'efforts", déclare Heeg. À l'avenir, les chercheurs souhaitent améliorer leur méthode et l'adapter aux besoins 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 d'or avec des pores de taille égale et alignés en parallèle, la méthode pourrait être optimisée pour des matériaux spécifiques, ce qui améliorerait l'intensité du signal Raman d'un autre facteur de cent.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Roman M. Wyss, Günter Kewes, Pietro Marabotti, Stefan M. Koepfli, Karl-Philipp Schlichting, Markus Parzefall, Eric Bonvin, Martin F. Sarott, Morgan Trassin, Maximilian Oezkent, ... Lukas Novotny, Martin Frimmer, Mads C. Weber, Sebastian Heeg; "Bulk-suppressed and surface-sensitive Raman scattering by transferable plasmonic membranes with irregular slot-shaped nanopores"; Nature Communications, Volume 15, 2024-6-19
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