Une membrane en or dévoile ses secrets aux surfaces

"La surface a été faite par le diable" - cette phrase est attribuée au physicien théorique Wolfang Pauli, qui a enseigné de nombreuses années à l'ETH Zurich et a re?u le prix Nobel en 1945 pour ses travaux sur la mécanique quantique. En effet, les chercheurs ont beaucoup de mal avec les surfaces. D'une part, elles sont très importantes aussi bien dans la nature vivante que dans la nature inanimée, mais d'autre part, il est parfois diablement difficile de les étudier avec les méthodes de détection traditionnelles.

Or, une équipe multidisciplinaire de scientifiques des matériaux et d'ingénieurs électriciens dirigée par Lukas Novotny, professeur de photonique à l'ETH Zurich, a mis au point avec des collègues de l'Université Humboldt de Berlin un procédé qui facilitera considérablement la caractérisation des surfaces à l'avenir. Ils ont récemment publié les résultats de leurs travaux, basés sur l'utilisation d'une membrane d'or très fine, dans la revue scientifique page externeNature Communications publié.

Les surfaces sont importantes pour la fonctionnalité

"Qu'il s'agisse de catalyseurs, de cellules solaires ou de batteries, les surfaces sont toujours extrêmement pertinentes pour leur fonctionnalité", explique Roman Wyss, ancien doctorant en Science des matériaux et premier auteur de l'étude, qui fait désormais de la recherche au sein de la start-up Enantios de l'ETH. Cette pertinence vient du fait que les processus importants se déroulent généralement aux interfaces. Pour les catalyseurs, il s'agit des réactions chimiques qui sont accélérées à leur surface. Pour les batteries, les propriétés de surface des électrodes sont déterminantes pour leur efficacité et leur comportement à long terme.

Pour étudier les propriétés des matériaux de manière non destructive - c'est-à-dire sans endommager le matériau - les chercheurs utilisent depuis de nombreuses années la spectroscopie Raman. Un faisceau laser est dirigé sur le matériau et la lumière réfléchie est analysée. Les propriétés de la lumière réfléchie, dont le spectre de fréquence a été modifié par les vibrations des molécules dans le matériau, permettent de tirer des conclusions sur la nature chimique de l'objet examiné - on parle d'une empreinte digitale chimique - mais aussi de mettre en évidence des effets mécaniques tels que des tensions.

Membrane en or avec des pores minuscules

"C'est une méthode très puissante, mais son application aux surfaces est limitée", explique Sebastian Heeg, qui a participé aux expériences en tant que post-doctorant auprès de Lukas Novotny et qui dirige désormais un groupe de jeunes chercheurs à l'université Humboldt. Comme la lumière laser pénètre de quelques micromètres dans le matériau lors de la spectroscopie Raman, le spectre de fréquence est principalement influencé par l'intérieur du matériau et seulement dans une très faible mesure par la surface, épaisse de quelques couches atomiques.

Afin de rendre la spectroscopie Raman également utilisable pour les surfaces, les chercheurs de l'ETH ont développé une membrane d'or spéciale, d'une épaisseur de 20 nanomètres seulement et contenant des pores allongés d'une centaine de nanomètres. Lorsqu'on applique une telle membrane sur une surface à examiner, il se passe deux choses : d'une part, la membrane empêche le rayon laser de pénétrer à l'intérieur du matériau. D'autre part, là où se trouvent les pores dans la membrane d'or, la lumière laser est concentrée et n'est émise qu'à quelques nanomètres de profondeur dans la surface.

Amplification du signal par milliers

"Les pores agissent comme ce que l'on appelle des antennes plasmoniques - tout à fait comme l'antenne d'un téléphone portable", explique Heeg. L'effet d'antenne amplifie le signal Raman de la surface du matériau jusqu'à mille fois par rapport au signal de la spectroscopie Raman traditionnelle sans membrane. Heeg et ses collègues ont pu le démontrer, entre autres, sur du silicium sous contrainte et sur un cristal de pérovskite, l'oxyde de lanthane et de nickel (LaNiO₃) démontrent de manière impressionnante.

Le silicium sous contrainte est important pour les applications dans les technologies quantiques, mais jusqu'à présent, la contrainte ne pouvait pas être étudiée par spectroscopie Raman, car le signal généré par la surface était noyé dans le bruit de fond de la mesure. Après l'application de la membrane d'or, le signal de contrainte a été sélectivement augmenté au point de pouvoir être clairement distingué des autres signaux Raman du matériau.

De son c?té, la pérovskite métallique oxyde de lanthane et de nickel est un matériau important pour la fabrication d'électrodes. "Le fort couplage entre sa structure cristalline et la conductivité électrique permet de contr?ler la conductivité en modifiant l'épaisseur de l'électrode à l'échelle nanométrique. On pense que la structure de surface joue un r?le essentiel dans ce processus", explique Mads Weber, ancien postdoctorant à l'Université de Zurich et désormais professeur assistant à l'Université du Mans, qui étudie cette classe de matériaux et a également participé à l'étude. Gr?ce à la nouvelle méthode de la membrane d'or, les chercheurs ont pu, pour la première fois, avoir un aper?u de la structure de surface de l'oxyde de lanthane et de nickel.

"Notre approche est également intéressante du point de vue de la durabilité, car les appareils Raman déjà existants acquièrent ainsi de toutes nouvelles capacités sans grand effort", explique Heeg. A l'avenir, les chercheurs veulent encore améliorer leur méthode et l'adapter aux besoins des utilisateurs. Par exemple, les pores dans la membrane d'or sont actuellement de tailles différentes et disposés de manière irrégulière. En fabriquant des membranes avec des pores de même taille disposés en parallèle, la méthode pourrait être optimisée pour certains matériaux et ainsi multiplier par cent la puissance du signal Raman.