Un nouveau microscope permet de visualiser un matériau invisible en 2D

Aspects clés

• Un matériau fascinant : Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un matériau très important pour le vaste et florissant domaine de la recherche sur les matériaux bidimensionnels (2D) et les nouveaux dispositifs émergents.
• Le défi : Les monocouches - d'une épaisseur d'un seul atome - de hBN ont été très difficiles à utiliser dans les structures 2D parce qu'elles sont très difficiles à voir.
• La nouvelle approche : La microscopie à fréquence cumulée entraînant par résonance une vibration du réseau de hBN permet d'éclairer les monocouches de hBN.

Pourquoi étudier les matériaux 2D ?

Les matériaux 2D sont des substances cristallines constituées d'une seule couche d'atomes et possèdent des propriétés très inhabituelles qui découlent de leur nature extrêmement fine. La science des matériaux connaît les matériaux à couches minces depuis plus de cent ans, mais ce n'est qu'en 2004 que les premières couches 2D - à savoir le graphène - ont été produites avec succès. Depuis lors, de nouveaux matériaux 2D ont été développés en permanence et de nouvelles applications ont vu le jour. Les couches minces sont recherchées pour des applications dans de nombreuses technologies futures, de l'électronique aux systèmes énergétiques en passant par les composants optiques. Ces matériaux fascinants font donc l'objet de recherches approfondies.

Le défi du nitrure de bore hexagonal

Le nitrure de bore (BN) - également connu sous le nom de "graphène blanc" - est un matériau en couches composé des éléments bore (B) et azote (N), qui peut exister sous différentes formes, dont le nitrure de bore hexagonal (hBN). Comme le graphène, le hBN a une structure hexagonale et ses couches 2D sont largement utilisées dans diverses applications, telles que l'optique quantique ou la nanophotonique infrarouge, ou simplement comme substrat ou matériau d'encapsulation. Pour ces applications, une caractérisation précise des couches de h-BN est essentielle. Cependant, hormis la résonance prononcée dans l'infrarouge moyen, le hBN, en tant que monocouche, est transparent dans toute la gamme spectrale du proche infrarouge et du visible. Il ne peut donc pas être étudié à l'aide de microscopes optiques conventionnels.

Cette restriction a jusqu'à présent entravé son utilisation dans le développement de nouveaux matériaux. Par exemple, pour identifier d'éventuelles distorsions et limites de grains dans les couches 2D, il faut les cartographier avec précision. En outre, les chercheurs empilent des monocouches de matériaux 2D pour créer des "structures de van der Waals" qui peuvent présenter des propriétés tout à fait nouvelles et intéressantes. Idéalement, cette superposition pourrait être observée en direct au microscope et l'orientation des différentes couches pourrait être visualisée. Le développement de telles capacités pour le hBN est donc vivement souhaité.

Le microscope à fréquence cumulée

L'équipe de recherche de l'Institut Fritz Haber a relevé ce défi grâce au microscope qu'elle a récemment mis au point et qui utilise une astuce de l'optique non linéaire pour rendre visible le matériau hBN, par ailleurs invisible. Leur méthode, appelée "microscopie à somme de fréquences résolue en phase", mélange deux faisceaux laser, l'un dans l'infrarouge moyen et l'autre dans le domaine visible, pour générer un signal à somme de fréquences dans l'échantillon qui est mesuré. En entraînant par résonance une vibration du réseau hBN, le signal de fréquence somme mesuré devient très intense, ce qui permet non seulement d'imager de grandes zones d'échantillons de 100 × 100 μm2 en moins d'une seconde, mais aussi de visualiser l'orientation du cristal.

Grâce à leur nouveau microscope, les chercheurs ont révélé que les couches 2D de hBN qui se développent dans des domaines triangulaires présentent des bords en zigzag terminés par de l'azote. De plus, la non-linéarité élevée observée dans la gamme de fréquences de la résonance vibratoire fait du hBN monocouche un matériau prometteur pour la conversion de fréquence - de l'infrarouge vers le visible - dans de nouveaux dispositifs optoélectroniques.

Coopération fructueuse entre deux départements de l'IFA et des partenaires internationaux

Cette étude témoigne de la philosophie de recherche hautement collaborative de l'Institut Fritz Haber, qui associe l'expertise de plusieurs groupes de recherche de ses différents départements ainsi que de ses nombreux partenaires internationaux dans des projets conjoints visant à relever les grands défis de la science. Les échantillons de monocouche de hBN ont été synthétisés à l'université Vanderbilt, puis analysés par microscopie à fréquence cumulative au département de chimie physique de l'Institut Fritz Haber. Pour soutenir la caractérisation avancée des échantillons, des images de microscopie à force atomique (AFM) ont été enregistrées par des partenaires de collaboration du département de physique de la Freie Universitat Berlin. Enfin, l'expertise du département de théorie de l'Institut Fritz Haber a permis d'extraire les détails cristallographiques.

Perspectives de la nouvelle méthode expérimentale

Le nouveau microscope présente des avantages évidents par rapport aux autres méthodes existantes. Tout d'abord, il permet de rendre visibles des matériaux optiquement transparents dans un microscope optique. Les images obtenues sont beaucoup plus contrastées que les images AFM traditionnelles, et l'utilisation de la résonance vibratoire permet une "imagerie en direct" du hBN, y compris des informations en ligne sur l'orientation de ses cristaux. Ces capacités avancées rendent possible la fabrication contrôlée de structures de van der Waals en couches dans des applications futures. Enfin, les auteurs prévoient également une extension de ce nouvel outil d'imagerie en tant que méthode non invasive et sans étiquette pour étudier une plus large gamme de matériaux 2D empilés ainsi que leurs combinaisons avec des assemblages moléculaires anisotropes.