Du défaut au matériau de haute technologie
Précision au niveau atomique : une équipe de recherche fait la lumière sur la nanosynthèse
Les nanoplaquettes de séléniure de cadmium constituent une base prometteuse pour le développement de matériaux électroniques innovants. Depuis le début du millénaire, les chercheurs du monde entier s'intéressent particulièrement à ces minuscules plaquettes, qui ne font que quelques atomes d'épaisseur, car elles présentent des propriétés optiques et autres extraordinaires. Une équipe du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de la TU Dresden et de l'Institut Leibniz de recherche sur l'état solide et les matériaux de Dresde (IFW) a franchi une étape importante vers la production systématique de ces nanoplaquettes. Les chercheurs ont pu acquérir des connaissances fondamentales sur l'interaction entre la structure et la fonction, comme ils le rapportent dans la revue Small.
Les nanostructures à base de cadmium se prêtent au développement de matériaux bidimensionnels qui entrent dans des interactions spécifiques avec la lumière infrarouge proche (NIR) en absorbant, réfléchissant ou émettant de la lumière, ou en présentant d'autres propriétés optiques. Cette gamme spectrale présente un intérêt pour de nombreuses technologies. Dans le domaine du diagnostic médical, par exemple, ces matériaux permettent de mieux comprendre les tissus, car la lumière proche infrarouge est moins dispersée que la lumière visible. Dans les technologies de communication, les matériaux NIR sont utilisés dans des systèmes de fibres optiques très efficaces. Dans le domaine de l'énergie solaire, ils pourraient accroître l'efficacité des cellules photovoltaïques.
"Rico Friedrich, de l'Institut de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux du HZDR et titulaire de la chaire de chimie théorique de l'Université technique de Dresde, explique : "La capacité à modifier spécifiquement le matériau pour qu'il présente les propriétés optiques et électroniques souhaitées est cruciale pour toutes ces applications. "Alexander Eychmüller, titulaire de la chaire de chimie physique à l'université technique de Dresde, ajoute : "Dans le passé, c'était un défi, car la synthèse nanochimique consistait davantage à mélanger des matériaux par essais et erreurs. Les deux scientifiques ont dirigé conjointement le projet de recherche collaborative.
Une approche innovante : L'échange de cations pour produire des nanoparticules bien définies
Le défi particulier consiste à contrôler spécifiquement le nombre de couches atomiques et leur composition dans les nanostructures (et donc leur épaisseur) sans modifier leur largeur et leur longueur. La synthèse de ces nanoparticules complexes est un défi majeur dans la recherche sur les matériaux. C'est là qu'intervient l'échange de cations. Dans cette méthode, certains cations - des ions chargés positivement - d'une nanoparticule sont systématiquement remplacés par d'autres. "Ce procédé nous permet de contrôler précisément la composition et la structure, ce qui nous permet de produire des particules dotées de propriétés que nous ne pourrions pas obtenir par des méthodes de synthèse conventionnelles. Cependant, on sait peu de choses sur le fonctionnement exact et le point de départ de cette réaction", explique Eychmüller.
Dans le cadre du projet actuel, l'équipe s'est concentrée sur les nanoplaquettes, dont les coins actifs jouent un rôle crucial. Ces coins sont particulièrement réactifs sur le plan chimique, ce qui permet de lier les plaquettes en structures organisées. Pour mieux comprendre ces effets, les chercheurs ont combiné des méthodes de synthèse sophistiquées, la microscopie (électronique) à résolution atomique et des simulations informatiques approfondies.
Les coins actifs et les défauts des nanoparticules ne sont pas seulement intéressants en raison de leur réactivité chimique, mais aussi de leurs propriétés optiques et électroniques. Ces endroits présentent souvent une forte concentration de porteurs de charge, ce qui peut affecter leur transport et l'absorption de la lumière. "Combinés à une capacité d'échange d'atomes ou d'ions uniques, nous pourrions également utiliser ces défauts dans la catalyse à atome unique, en exploitant la réactivité et la sélectivité élevées des atomes individuels pour accroître l'efficacité des processus chimiques", explique M. Friedrich. Le contrôle précis de ces défauts est également crucial pour l'activité des nanomatériaux dans le proche infrarouge. Ils influencent la façon dont la lumière proche infrarouge est absorbée, émise ou diffusée, ce qui permet d'optimiser systématiquement les propriétés optiques.
Relier les nanostructures : Un pas vers l'auto-organisation
Un autre résultat de cette recherche est la possibilité de relier systématiquement les nanoplaquettes par leurs coins actifs, combinant les particules en structures ordonnées ou même auto-organisées. Les applications futures pourraient utiliser cette organisation pour produire des matériaux complexes avec des fonctions intégrées, comme des capteurs actifs dans le proche infrarouge ou de nouveaux types de composants électroniques. En pratique, ces matériaux pourraient accroître l'efficacité des capteurs et des cellules solaires ou faciliter de nouvelles méthodes de transmission de données. Parallèlement, la recherche génère également des connaissances fondamentales pour d'autres domaines de la nanoscience, tels que la catalyse ou les matériaux quantiques.
Les résultats obtenus par l'équipe n'ont été possibles que grâce à une combinaison de méthodes synthétiques, expérimentales et théoriques de pointe. Les chercheurs ont pu non seulement contrôler avec précision la structure des nanoparticules, mais aussi étudier en détail le rôle des coins actifs. Des expériences sur la distribution des défauts atomiques et l'analyse de la composition ont été combinées à une modélisation théorique afin d'obtenir une compréhension complète des propriétés du matériau.
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