Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont récemment découvert de nouvelles propriétés du niobate de strontium, qui est un matériau semi-conducteur unique qui affiche à la fois une conduction de type métallique et une activité photocatalytique. Les deux études, qui ont été menées en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley, et le Laboratoire national Lawrence Berkeley, annoncer des opportunités passionnantes pour la création de nouveaux dispositifs avec des fonctionnalités sans précédent ainsi que des applications uniques d'une nouvelle famille de matériaux photocatalytiques.

Dr Wan Dongyang, un chercheur du NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI) qui a participé aux deux recherches, mentionné, "La clé de ces études réussies était la capacité de l'équipe NUSNNI à produire des films cristallins de haute qualité de ces matériaux qui ont ensuite été étudiés par une variété de mesures pour fournir des indices scientifiques sur la façon dont ces matériaux se comportent dans des conditions variables."

Une nouvelle famille de plasmons découverte dans un métal non conventionnel

Dans la première étude, les chercheurs, qui étaient dirigés par le professeur adjoint Andrivo Rusydi, et directeur de NUSNNI Professeur T Venky Venkatesan, avait découvert que si le niobate de strontium est de nature hautement métallique en raison d'une très grande population d'électrons dans le matériau, qui est typique de la plupart des métaux, il est encore transparent à la plupart des énergies photoniques, qui est une propriété exceptionnelle qui est différente de la plupart des métaux. Utilisant des techniques spectroscopiques, l'équipe de recherche a découvert que cette propriété unique résultait d'une absorption plasmonique intrinsèque.

Dr Teguh Citra Asmara, le premier auteur de l'article et également chercheur postdoctoral à NUSNNI, mentionné, « De nos études, nous avons constaté que ce matériau est un semi-conducteur avec une large bande interdite de quatre électrons-volts. Sur la base de notre compréhension des semi-conducteurs et du fort comportement métallique de ce matériau, nous ne nous attendions pas à ce que ce matériau absorbe des photons visibles, donc les résultats que nous avons trouvés sont en effet surprenants."

"Les plasmons sont des oscillations résonantes d'une collection d'électrons et se produisent généralement dans un solide métallique. Dans les bonnes conditions, les photons peuvent provoquer l'excitation de ces plasmons dans un solide et, dans ce processus, le solide absorbe l'énergie des photons. Avant que notre équipe ne le découvre, on pensait que ce matériau consistait en une bande interdite plus petite, de l'ordre de deux électrons-volts, et une bande secondaire au-dessus d'énergie comparable, " a expliqué le professeur Venkatesan.

En outre, l'équipe de recherche a découvert une nouvelle famille de plasmons qui se produit à plusieurs fréquences. Cette nouvelle famille de plasmons est observée même lorsque le niobate de strontium n'est pas un métal conventionnel.

Le professeur adjoint Rusydi a dit :"Cette nouvelle découverte ouvre de nouvelles directions et voies de recherche pour la recherche plasmonique, et nous permet d'explorer des matériaux isolants et fortement corrélés jusqu'alors inexploités. Nous étudions également actuellement les applications possibles de ce nouveau type de plasmons."

Ce projet a été initialement initié par le Dr Zhao Yongliang dans le cadre de sa thèse de doctorat, et le Dr Wan Dongyang l'a poursuivi dans le cadre de sa thèse de doctorat. Tous deux ont réalisé le projet sous la supervision du professeur Venkatesan. Les nouvelles découvertes ont été rapportées dans une prestigieuse revue scientifique Communication Nature le 12 mai 2017.

Des « séparateurs d'eau » pour réduire l'empreinte carbone

Dans la deuxième étude, Les chercheurs du NUS ont examiné comment le niobate de strontium catalyse l'eau. L'équipe, supervisé par le Pr Venkatesan, ont constaté que lorsque le niobate de strontium est en contact avec de l'eau sous irradiation solaire, le matériau semi-conducteur pourrait renverser de l'eau dans ses constituants d'oxygène et d'hydrogène. Cette étude, qui a également été menée en collaboration avec des chercheurs de l'Université technologique de Nanyang, a été publié pour la première fois en ligne dans la prestigieuse revue scientifique Communication Nature le 19 avril 2017.

Le professeur Venkatesan a expliqué, "Alors que ce matériau convertit l'eau en hydrogène sous irradiation solaire, le mécanisme derrière ce processus était auparavant mal interprété comme étant dû à la grande vitesse ou à la mobilité des électrons dans le matériau. Notre groupe a clairement montré que ce n'était pas le cas. La mobilité électronique mesurée était significativement faible, mais l'effet a été renforcé par l'absorption résonnante des photons solaires par les plasmons intrinsèques présents dans ce matériau."

Les résultats suggèrent fortement une nouvelle approche pour concevoir des catalyseurs pour diverses applications, et le travail pourrait conduire à de nouvelles techniques de récolte de l'hydrogène - un carburant durable - à partir de l'eau, contribuent ainsi à la réduction de l'empreinte carbone.

« Chez NUSNNI, nous avons un groupe qui a trouvé une famille de matériaux, en dehors du niobate de strontium, qui fonctionnent aussi bien que les séparateurs d'eau plasmoniques. Avancer, nous travaillons à trouver la bonne combinaison de processus photo-catalytique pour produire des produits chimiques utiles, " a ajouté le professeur Venkatesan.