Comment les atomes vibrent dans les nanomatériaux

Les matériaux sont composés d'atomes qui vibrent à température ambiante. Ces vibrations de grille collectives, également appelées phonons, sont responsables de propriétés telles que le transport de chaleur et de charges. Les vibrations de grille dans les métaux, les semi-conducteurs et les isolants sont aujourd'hui bien étudiées. Jusqu'à présent, on ne savait toutefois pas comment elles se comportaient dans les nouveaux matériaux nanostructurés, dont on attend de meilleurs écrans, capteurs, batteries et membranes catalytiques.

La grille vibre fortement sur les surfaces molles

Dans un récent article spécialisé paru dans la revue "Nature", la professeure de l'ETH Vanessa Wood et son équipe montrent comment les vibrations de réseau se comportent dans les nanoparticules et comment ces connaissances peuvent être utilisées systématiquement pour le développement ciblé de matériaux nanostructurés.

Dans les matériaux de moins de 10 à 20 nanomètres - environ 5000 fois plus fins qu'un cheveu humain - les vibrations des atomes de surface sont particulièrement prononcées et ont une influence importante sur les propriétés des matériaux.

"Alors que dans des domaines comme la catalyse, la thermoélectricité ou la supraconductivité, des oscillations aussi fortes peuvent être utiles, l'effet observé est indésirable pour d'autres applications comme les LED et les cellules solaires", explique Wood.

En fait, la publication explique pourquoi les cellules solaires à base de nanoparticules n'ont pas encore pu exploiter pleinement leur potentiel jusqu'à présent. En comparant l'expérience et la simulation, le groupe de recherche montre comment l'interaction des vibrations du réseau à la surface avec les électrons réduit le photo-courant dans les cellules solaires.

"Maintenant que nous avons pu montrer que les vibrations de grille à la surface sont extraordinairement importantes, nous pouvons développer systématiquement des matériaux qui les suppriment ou les renforcent", explique Wood.

De meilleures cellules solaires

Le groupe de recherche de Wood travaille depuis longtemps sur des nanomatériaux particuliers, les nanocristaux collo?daux. Ces cristaux, également connus sous le nom de points quantiques, possèdent des propriétés semi-conductrices et peuvent être synthétisés de manière contr?lée avec un diamètre de deux à dix nanomètres.

Ces matériaux sont intéressants en raison de leurs propriétés optiques et électriques, qui dépendent toutes deux fortement de la taille des particules. Ils sont déjà utilisés commercialement comme sources lumineuses rouges et vertes dans les téléviseurs LED et sont commercialisés comme une alternative bon marché aux cellules solaires déposées à partir de solvants. Les chercheurs ont découvert que si l'on place une couche de certains atomes autour de la surface des nanocristaux, il est possible d'améliorer les performances de la cellule solaire. Jusqu'à présent, on ne savait pas pourquoi cela fonctionnait. L'article publié dans "Nature" explique désormais comment cela se produit : Une coquille dure d'atomes supprime les vibrations du réseau et leur interaction avec les électrons. Il en résulte des courants photoélectriques plus élevés et des cellules solaires plus efficaces.

Les chercheurs de l'ETH ont mené leurs recherches à la source suisse de neutrons de spallation de l'Institut Paul Scherrer (PSI). En bombardant les cristaux avec des neutrons, les scientifiques ont observé la structure et la vibration des atomes dans ces minuscules corps solides. Les vibrations du réseau des nanocristaux ont également été simulées à l'aide de superordinateurs au Centre suisse de calcul scientifique (CSCS) de Lugano. "Sans l'accès à ces grandes installations de recherche, ce travail n'aurait pas été possible. En Suisse, nous avons la chance d'avoir à disposition des installations aussi uniques", souligne la professeure de l'ETH.