Rendre visibles les mouvements des atomes dans le cristal

Parfois, les questions scientifiques semblent couper les cheveux en quatre pour les personnes extérieures. Pourtant, elles sont souvent décisives, comme dans la Science et ingénierie des matériaux : L'utilisation commerciale d'un matériau dépend de ses propriétés. Un exemple de question qui semble couper les cheveux en quatre et qui a des conséquences est celle que Boris Sangiorgio a abordée dans sa thèse de doctorat. Au sein du groupe de recherche de la professeure de l'ETH Nicola Spaldin à l'Institut de théorie des matériaux, le Tessinois a étudié, à l'aide du superordinateur "Piz Daint", comment le tellurure de plomb (PbTe) se comporte lorsqu'il est chauffé. Le tellurure de plomb se trouve dans la nature sous forme d'altite, un minéral de la famille des sulfosels. Ce minéral peut convertir l'énergie thermique en énergie électrique, il a donc des propriétés thermoélectriques.

Le rover martien roule au luride de plomb

Les thermoélectriques ont été popularisés dans les années 1960 dans le domaine de l'astronautique. Et leur popularité ne s'est jamais démentie depuis, puisqu'un générateur thermoélectrique en tellurure de plomb alimente par exemple le rover Curiosity sur Mars depuis 2012.

Il y a environ sept ans, une étude sur le tellurure de plomb a toutefois suscité une controverse parmi les chercheurs en matériaux. A l'époque, les chercheurs étaient parvenus à la conclusion que le phénomène dit d'emphanisis se produisait dans le cas du tellurure de plomb chauffé. Pour simplifier, on peut dire que l'échauffement déplace localement les atomes de plomb dans le cristal, ce qui réduit la symétrie locale du cristal. Jusqu'à présent, on ne connaissait que le processus inverse, à savoir que la symétrie augmente lors du chauffage.

Jusqu'à présent, l'emphanisis n'était guère comprise. L'équipe de Spaldin a maintenant étudié ce phénomène pour le tellurure de plomb dans le superordinateur. Les simulations montrent que la symétrie est certes brisée localement lorsque le minéral est chauffé. En revanche, si l'on considère l'ensemble du cristal, la symétrie cubique initiale est conservée.

Pour des expériences réelles avec le minéral, les scientifiques ont utilisé, en collaboration avec des chercheurs de l Plateforme de services X-Ray du Département de science et ingénierie des matériaux de l'ETH Zurich, un procédé de diffusion des rayons X qui permet de visualiser avec une grande précision la structure cristalline atomique. Les résultats de ces expériences correspondaient très bien à ceux de la simulation, ce qui confirme les résultats de la simulation. Les chercheurs ont ainsi pu aller un peu plus loin dans les simulations que dans les expériences, et découvrir ce qui se cache derrière l'emphanisis dans le tellurure de plomb.

Nouveau phénomène

Les simulations montrent en effet que l'échauffement provoque dans le cristal de fortes vibrations acoustiques et de faibles vibrations optiques. Celles-ci se superposent et sont couplées entre elles. Cela produit un phénomène jamais observé auparavant : en raison des oscillations couplées, des dip?les corrélés s'organisent dans le cristal. Ceux-ci sont constitués de paires d'atomes de plomb et de tellure fluctuants, qui s'orientent tous deux en fonction de leur charge.

"Considérés dans leur ensemble, les atomes se trouvent cependant toujours sur les positions hautement symétriques", explique Sangiorgio. La symétrie globale est donc conservée. Les chercheurs supposent que ce processus est essentiel pour le comportement thermoélectrique du tellurure de plomb. En outre, cela pourrait également être vrai pour d'autres matériaux (appelés ferroélectriques) qui, comme le tellurure de plomb, se trouvent proches d'une transition de phase ferroélectrique.

Utilisation polyvalente des thermoélectriques

"La fonctionnalité du tellurure de plomb repose probablement sur un équilibre délicat entre les propriétés électriques et structurelles", explique Sangiorgio. Comprendre la structure locale et la dynamique du tellurure de plomb est essentiel pour les scientifiques afin d'expliquer le comportement du matériau. Ces connaissances les aideront à fabriquer ou à trouver des matériaux thermoélectriques plus efficaces à l'avenir. Car la recherche ne s'intéresse pas seulement aux matériaux thermoélectriques dans le domaine spatial, mais aussi pour pouvoir utiliser le plus efficacement possible la chaleur résiduelle des usines d'incinération des déchets ou des voitures pour produire de l'électricité, par exemple.

Ce texte a d'abord été publié sur le site page externeCSCS.