Les scientifiques des matériaux de l’Université du Minnesota ont découvert une nouvelle méthode pour créer et contrôler avec précision des « défauts » microscopiques dans des matériaux ultra-fins. Ces imperfections internes, officiellement connues sous le nom de défauts étendus, offrent une voie prometteuse pour doter les nanomatériaux de nouvelle génération de propriétés sans précédent, déclenchant potentiellement des progrès significatifs dans le domaine de la nanotechnologie.
Comprendre les défauts étendus
Les défauts étendus sont des perturbations dans la structure cristalline d’un matériau qui s’étendent sur une zone relativement vaste, contrairement aux défauts ponctuels qui affectent des atomes uniques. Pensez à un réseau cristallin immaculé comme à une grille de blocs de construction parfaitement disposée ; un défaut étendu est comme une rupture délibérée et soigneusement placée dans cette grille. La particularité de ces défauts est qu’ils occupent un petit volume tout en influençant de manière significative les propriétés du matériau environnant.
Obtenir un contrôle sans précédent
La recherche, publiée dans Nature Communications, a démontré la capacité de concevoir des régions du matériau avec des densités de ces défauts étendus jusqu’à 1 000 fois supérieures à celles des zones sans motif. Ce niveau de contrôle est crucial car il permet aux chercheurs d’adapter les propriétés des matériaux dans des zones spécifiques.
“Ces défauts étendus sont passionnants car ils couvrent tout le matériau mais occupent un très petit volume”, explique Andre Mkhoyan, professeur au Département de génie chimique et de science des matériaux de l’Université du Minnesota et auteur principal de l’étude. “En contrôlant soigneusement ces minuscules caractéristiques, nous pouvons exploiter les propriétés du défaut et du matériau environnant.”
La technique : création de défauts structurés
La percée de l’équipe réside dans une nouvelle approche de la conception matérielle. Ils ont découvert qu’en créant de minuscules motifs induisant des défauts sur la surface avant de faire croître le film mince, ils pouvaient contrôler avec précision la densité et le type de défauts étendus.
“Nous avons trouvé une nouvelle façon de concevoir des matériaux en créant de minuscules motifs induisant des défauts sur la surface du substrat avant de faire pousser un film mince dessus”, a déclaré Supriya Ghosh, étudiante diplômée du laboratoire Mkhoyan et premier auteur de l’article.
Cette technique permet de créer des matériaux aux propriétés radicalement différentes dans différentes sections. En concentrant les défauts sur l’épaisseur du matériau, les chercheurs peuvent générer de nouveaux films dans lesquels les motifs de taille nanométrique sont largement dictés par ces défauts. Cela pourrait conduire à des changements radicaux dans le comportement des matériaux.
Implications plus larges et applications futures
Alors que l’étude initiale s’est concentrée sur les oxydes de pérovskite, une classe de matériaux de plus en plus utilisés dans les cellules solaires et d’autres applications, les chercheurs pensent que cette méthode est adaptable à différents types de matériaux minces. Les avantages potentiels sont considérables. Il ouvre la voie au développement de dispositifs électroniques exploitant les propriétés uniques conférées par ces défauts contrôlés.
L’équipe de recherche comprenait Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Nerock, Turan Birol et Bharat Jalan, tous du Département de génie chimique et de science des matériaux, ainsi que Fengdeng Liu du Département de génie électrique et informatique.
Essentiellement, cette recherche démontre que l’introduction stratégique d’imperfections peut débloquer des fonctionnalités entièrement nouvelles dans les nanomatériaux, ouvrant ainsi la voie à une nouvelle ère de conception de matériaux.
Cette approche innovante de l’ingénierie des matériaux pourrait révolutionner la nanotechnologie en offrant une méthode précise et polyvalente pour créer des matériaux aux propriétés adaptées à l’échelle nanométrique.
