Atterrissage ponctuel dans la grille atomique - de nouvelles voies pour améliorer la catalyse et la détection de gaz
Une combinaison de méthodes innovantes permet de localiser avec précision des atomes individuels dans des matériaux ultrafins
Une équipe de recherche de l'Université de Vienne et de l'Université technique de Vienne a réussi à intégrer de manière ciblée des atomes de platine individuels dans un matériau ultra-mince - et à démontrer pour la première fois avec une précision atomique la place qu'ils occupent dans le réseau. Cela a été rendu possible grâce à une combinaison de méthodes nouvellement développées, à savoir la création de défauts dans le matériau support, l'intégration contrôlée d'atomes de platine individuels et un procédé d'imagerie électronique à contraste particulièrement élevé ("ptychographie"). Ce travail, publié dans la revue spécialisée Nano Letters, fournit de nouvelles approches pour la modification ciblée des matériaux.
Pour que les matériaux soient particulièrement performants pour des applications telles que la catalyse (accélération de réactions chimiques) ou la détection de certains gaz, ils doivent être modifiés sur mesure au niveau atomique. Les centres actifs, c'est-à-dire de minuscules endroits à la surface du matériau où se déroulent les réactions chimiques ou où les molécules de gaz peuvent s'arrimer de manière ciblée, sont décisifs. Ces centres sont particulièrement efficaces lorsqu'ils sont constitués d'atomes métalliques individuels, comme le platine par exemple. Dans l'étude actuelle, l'objectif était donc de fabriquer ce type de matériaux - et de rendre en même temps leur structure visible au niveau atomique.
Un regard perçant sur le réseau atomique
Le matériau de support utilisé était le bisulfure de molybdène (MoS2), un semi-conducteur ultra-mince qui se caractérise par sa bonne modifiabilité. Pour faire de la place à de nouveaux centres actifs, l'équipe de recherche a créé des défauts microscopiques ("defect engineering") dans la surface du MoS₂ - par exemple des lacunes de soufre - par bombardement d'ions d'hélium, puis les a occupés par des atomes de platine individuels. Cet échange contrôlé d'atomes dans le réseau ("dopage") permet de modifier de manière ciblée les propriétés des matériaux.
Mais ce qui manquait jusqu'à présent, c'était la preuve précise de l'emplacement exact des atomes étrangers dans le réseau atomique, car la microscopie électronique classique ne permet guère de distinguer les différents types de défauts - par exemple les lacunes de soufre simples ou doubles - en raison du contraste trop faible. Les chercheurs ont donc misé sur la "Single-Sideband-Ptychographie" (SSB), une méthode d'imagerie ultramoderne basée sur l'évaluation des schémas de diffraction des électrons. L'auteur principal de l'étude, David Lamprecht, qui a commencé ses recherches à l'Université de Vienne et les a poursuivies entre-temps à l'Institut de microélectronique de l'Université technique de Vienne, explique : "Grâce à notre combinaison d'ingénierie des défauts, de dopage et de ptychographie, nous sommes parvenus à rendre visibles de fines différences dans le réseau atomique - et à prouver sans équivoque si un atome de platine a effectivement été intégré dans un trou ou s'il est simplement mal fixé à la surface". À l'aide de simulations informatiques, les différents sites d'insertion (par exemple les sites de soufre ou de molybdène) ont pu être identifiés avec précision - une étape décisive pour la conception ciblée du matériau.
Deux applications, un atome
La combinaison de l'intégration ciblée et de l'imagerie à l'atome près ouvre de nouvelles possibilités dans deux domaines d'avenir essentiels : La catalyse et la détection de gaz. Des atomes de platine isolés à des endroits bien définis peuvent agir comme des catalyseurs particulièrement efficaces - par exemple pour la production d'hydrogène respectueuse de l'environnement. En même temps, le matériau peut être taillé sur mesure de manière à ne réagir qu'à certaines molécules de gaz. "Grâce à ce contrôle sur les sites d'intégration, nous pouvons développer des capteurs fonctionnalisés de manière sélective - une nette amélioration par rapport aux méthodes existantes", souligne Jani Kotakoski, dernier auteur et chef de groupe de recherche à la faculté de physique de l'université de Vienne.
Des éléments constitutifs pour des matériaux fonctionnels
La combinaison de méthodes présentée ne s'applique pas seulement au platine et au MoS2, mais aussi, en principe, à de nombreuses autres combinaisons de matériaux 2D et d'atomes dopants. À l'avenir, l'approche sera développée - par exemple par un contrôle plus fin de la formation des défauts ou par des post-traitements supplémentaires. L'objectif est de développer des matériaux fonctionnels avec des propriétés sur mesure, dans lesquels chaque atome est placé au bon endroit.
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