Formes ondulées semblables à des tiges observées dans les données de diffusion des rayons X. Crédit : Jared Allred/Université de l’Alabama
Les découvertes pourraient aider à résoudre un mystère vieux de 60 ans et conduire à des applications dans des dispositifs sensibles à la température et des systèmes à haut rendement énergétique.
Lorsque l’eau bout, elle se transforme en une autre phase, la vapeur. Ces transitions sont courantes dans la nature et fréquemment étudiées dans les laboratoires scientifiques.
L’une d’elles, qui intéresse particulièrement les scientifiques, est la transition d’un métal à un isolant (MIT), qui peut se produire dans certains matériaux à différentes températures. Les métaux conduisent l’électricité. Les isolants ne le font pas. Les scientifiques cherchent à exploiter le passage du métal à l’isolant et vice-versa pour de nombreuses applications potentielles, notamment l’électronique à faible puissance, les dispositifs spécialisés de surveillance des changements de température dans les environnements industriels et les fenêtres/verres intelligents.
Des scientifiques du laboratoire national Argonne du ministère américain de l’énergie (DOE), de l’université d’Alabama et de l’université de Californie à Los Angeles ont fait une découverte surprenante concernant les changements structurels qui se produisent lorsqu’un de ces matériaux est refroidi en dessous de sa température MIT. Ce matériau est du dioxyde de vanadium (VO2) auquel l’équipe de recherche a ajouté des quantités variables d’un autre élément, le molybdène.
“Nos résultats ont démontré que de minuscules distorsions structurelles se forment à l’intérieur des échantillons en dessous de la température MIT”, a déclaré Ray Osborn, physicien principal à Argonne, de la division Science des matériaux. “Ces distorsions sont des formes bidimensionnelles, c’est-à-dire des plans ayant une longueur et une largeur mais essentiellement aucune épaisseur. Et pourtant, en moyenne, la structure tridimensionnelle globale de l’échantillon reste intacte.”
Le MIT dans le dioxyde de vanadium pur a été signalé pour la première fois en 1959. C’est l’un des rares matériaux qui subit cette transition à proximité de la température ambiante, ce qui est hautement souhaitable pour les applications pratiques. Soixante ans après la découverte, le mécanisme qui sous-tend la transition reste un mystère. L’équipe a cherché à mieux comprendre la physique du dioxyde de vanadium en incorporant du molybdène dans la structure.
“En tant que chimiste, je suis intéressé à comprendre l’effet sur le MIT de la modification chimique de l’oxyde de vanadium par l’ajout d’éléments comme le molybdène”, a déclaré Jared Allred, professeur adjoint à l’Université d’Alabama.
À mesure que l’équipe ajoutait de plus en plus de molybdène au dioxyde de vanadium, le signal dans leurs données indiquant le MIT devenait de moins en moins prononcé jusqu’à ce qu’il ait presque disparu. Ce point a été atteint lorsque 19 % des atomes de vanadium ont été remplacés par du molybdène. Cette baisse du signal MIT s’est accompagnée d’une baisse de la température à laquelle il s’est produit. Cette température, qui était proche de la température ambiante pour le dioxyde de vanadium pur, est tombée à moins 190 degrés. Fahrenheit pour l’échantillon avec 19% de molybdène.
Matthew Davenport, chercheur à l’Université d’Alabama, a préparé les échantillons pour l’étude. L’équipe de recherche a caractérisé la structure atomique des échantillons en utilisant la diffusion des rayons X sur la ligne de faisceau 6-ID-D de l’Advanced Photon Source (APS) d’Argonne, une installation d’utilisateur du DOE Office of Science. L’équipe a effectué cette analyse sur une large gamme de températures, allant de près de 10 °C à 20 °C. zéro absolu à une température bien supérieure à la température ambiante.
“Les méthodes que nous utilisons à l’APS nous permettent de rassembler de grands volumes de données et de convertir les résultats en un modèle 3D détaillé de la structure atomique à l’échelle nanométrique”, a déclaré Osborn. L’équipe a capturé plusieurs centaines de milliers d’images pour chaque échantillon à raison de 10 images par seconde. Pour les échantillons contenant 19 % de molybdène, des formes inattendues en forme de bâtonnets sont apparues sur les images à environ moins 240 degrés Fahrenheit, bien en dessous de la température du MIT.
“Les bâtonnets indiquent que de nouvelles structures bidimensionnelles émergent après l’effondrement de l’ordre tridimensionnel dans les micro-régions de ce matériau”, a déclaré Allred. Malgré ces changements dans les micro-régions, la structure tridimensionnelle globale du matériau reste intacte. Lors d’une étude plus approfondie, l’équipe a également découvert que ces structures bidimensionnelles ne sont pas parfaitement plates.
Osborn a décrit le moment où les membres de l’équipe ont vu pour la première fois les résultats de la diffusion des rayons X. “Nous avons failli tomber de notre chaise : “Nous avons failli tomber de nos chaises”, a-t-il déclaré. Nous avons vu dans les résultats de la diffusion des rayons X un phénomène qui n’aurait pas dû être présent : les tiges étaient ondulées – quelque chose que nous n’avions jamais vu auparavant. L’ondulation s’est avérée être un signe que ces feuilles n’étaient en fait pas des plans parfaits et bidimensionnels.”
Pour mieux comprendre le mécanisme derrière cesL’équipe a utilisé une technique relativement nouvelle de diffusion des rayons X pour l’analyse des données, appelée analyse de la fonction de distribution des paires de différences 3D. Cette approche a permis à l’équipe de visualiser la structure directement à l’échelle atomique, montrant comment les atomes déforment les plans 2D dans le matériau lorsqu’ils se trouvent en dessous de la température MIT.
“Nous n’avons pas résolu le problème initial – la question du mécanisme MIT dans le dioxyde de vanadium”, admet Allred. Cependant, en sondant les explications possibles, ce travail devrait conduire à un modèle physique plus complet pour le MIT, et cette compréhension pourrait aider à réaliser le potentiel commercial de ce matériau dans les dispositifs sensibles à la température et les systèmes à haut rendement énergétique.
Référence : “Fragile 3D Order in V1-xMoxO2” par Matthew A. Davenport, Matthew J. Krogstad, Logan M. Whitt, Chaowei Hu, Tyra C. Douglas, Ni Ni, Stephan Rosenkranz, Raymond Osborn et Jared M. Allred, 21 juillet 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.125501
Cette recherche a été soutenue par le DOE Office of Basic Energy Sciences.
