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    La recherche collaborative trace la voie vers des centaines de nouveaux nitrures

    Les chercheurs ont pu déterminer où trouver de nouveaux nitrures. Crédit :Josh Bauer/NREL

    Andriy Zakutayev sait que les chances qu'un scientifique tombe sur un nouveau minerai de nitrure sont à peu près les mêmes que celles d'un navire se trouvant sur une masse continentale jusqu'alors inconnue.

    "Si vous trouvez du nitrure dans la nature, c'est probablement dans une météorite, " dit Zakoutaïev, un scientifique du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE).

    Formé lorsque des éléments métalliques se combinent avec de l'azote, Les nitrures peuvent posséder des propriétés uniques avec des applications potentielles allant des semi-conducteurs aux revêtements industriels. Un semi-conducteur au nitrure a servi de pierre angulaire à une technologie lauréate du prix Nobel pour les diodes électroluminescentes (DEL). Mais avant de pouvoir utiliser les nitrures, ils doivent d'abord être découverts - et maintenant, les chercheurs ont une carte pour les guider.

    Un effort de recherche révolutionnaire impliquant des scientifiques du NREL ; Laboratoire national Lawrence Berkeley (LBNL); Université du Colorado, Rocher (CU); et d'autres institutions partenaires à travers le pays ont récemment publié "A Map of the Inorganic Ternary Metal Nitrides, " qui apparaît dans Matériaux naturels . Le papier présente une grande carte de stabilité des nitrures ternaires, mettre en évidence des compositions de nitrure où la découverte expérimentale est prometteuse, et d'autres compositions où la formation de nitrure serait peu probable. Pour les chimistes qui tentent de créer de nouveaux nitrures en laboratoire, cette carte sera un outil très précieux.

    Wenhao Soleil, auteur principal de l'article et scientifique du LBNL, a comparé la découverte de matériaux à l'exploration du monde d'autrefois. "Naviguer vers l'inconnu était une entreprise très risquée, " Sun explique, " et de la même manière, l'exploration de nouveaux espaces chimiques peut aussi être risquée. Si vous allez dans le laboratoire et mélangez différents éléments, vous pourriez faire un nouveau composé. Ou peut-être pas. Si vous ne trouvez pas de nouveau matériel là où vous cherchez, cela peut être une grosse perte de temps et d'efforts. Les cartes aident à guider les explorateurs, leur permettant de mieux naviguer. Ici, nous avons construit une carte chimique pour guider la synthèse exploratoire des nitrures."

    Une version interactive de la carte montre les nitrures ternaires stables surlignés en bleu, indiquant qu'ils sont de bons candidats pour l'expérimentation.

    D'autres recherches financées par le centre ont découvert de nouvelles façons de combiner des matériaux pour former des alliages, ainsi que de synthétiser des polymorphes de matériaux spécifiques qui pourraient constituer la base des semi-conducteurs de la prochaine génération. La nouvelle recherche sur les nitrures fait suite à plusieurs années d'étude des matériaux métastables et du potentiel de leur utilisation dans diverses technologies, y compris les semi-conducteurs.

    Explorer les matériaux métastables

    Les matériaux métastables sont ceux qui, heures supplémentaires, va changer pour devenir plus stable. Diamants, par exemple, sont métastables car ils finiraient par se transformer en graphite, une forme polymorphe plus stable du carbone. Mais le temps que cela prend est considérable - des millions d'années dans cet exemple - les chercheurs ne devraient donc pas négliger l'utilisation de composés métastables.

    "Si vous ne faites de la conception de matériaux qu'avec des matériaux stables, " Soleil a dit, « vos choix sont limités. Mais si vous commencez à réfléchir aux matériaux métastables qui peuvent être fabriqués, vous augmentez votre espace de conception."

    "Notre équipe EFRC a décidé d'inclure des composés métastables dans la conception des matériaux, " a ajouté Tumas. " Ce travail démontre la puissance des collaborations entre théoriciens et expérimentateurs, combinant calcul, synthétique, et des compétences de caractérisation dans une approche d'équipe."

    En plus du NREL, CU, et LBNL, des scientifiques de l'Oregon State University et du SLAC National Accelerator Laboratory ont apporté leur expertise en cartographie, caractériser, et comprendre les nouveaux nitrures potentiels. "C'était vraiment un travail d'équipe, ", a déclaré Sun. "Il a certainement fallu que tout le monde travaille ensemble."

    Avant de se lancer dans sa collaboration continue avec NREL, Sun avait déterminé que les matériaux métastables représentaient une fraction importante des composés de nitrure, et a publié ses conclusions vers la fin de 2016. "Après cela a été écrit, il est devenu clair que ce serait un bon effort d'équipe pour explorer les nitrures, ", a déclaré Sun. "NREL fabrique des nitrures métastables depuis de nombreuses années maintenant."

    Cette, couplé à la capacité démontrée du NREL à synthétiser des films minces de nitrure hautement métastables (décrit dans l'article de synthèse de Zakutayev 2016 sur ce sujet), inspiré un article sur les nitrures binaires que Sun, Zakoutaïev, et d'autres publiés en 2017. La recherche récemment publiée sur les nitrures ternaires était la prochaine étape logique.

    Le monde des nitrures ternaires n'a pas été exploré à fond car les composés, constitués d'azote et de deux métaux, sont difficiles à synthétiser. La prédiction des nouveaux nitrures ternaires s'est appuyée sur la science computationnelle des matériaux, en utilisant des algorithmes d'apprentissage automatique pour cartographier des espaces auparavant inexplorés. Cela a accéléré le processus par rapport à la méthode traditionnelle d'essais et d'erreurs.

    Plus de nitrures à l'horizon

    Bien que l'azote soit beaucoup plus abondant dans l'atmosphère terrestre que l'oxygène, les oxydes se forment beaucoup plus facilement que les nitrures. Laissez un morceau de fer dehors, par exemple, et il finira par rouiller, ou s'oxyder. C'est parce que la liaison entre les atomes d'oxygène peut facilement se déloger. Mais les atomes d'azote tiennent fermement.

    « Les oxydes et les nitrures ont souvent une chimie similaire, " dit Zakoutaïev, qui travaille sur le développement de nouveaux matériaux pour les technologies des énergies renouvelables et a fait ses preuves dans la synthèse de nitrures. "Mais pour chaque nitrure documenté, il y a 14 oxydes. Si la chimie est similaire, il n'y a aucune raison qu'il y ait beaucoup de l'un et peu de l'autre. C'est une très grande opportunité de découverte."

    Avant que les chercheurs puissent cartographier les nitrures, cependant, ils devaient d'abord prédire de nouveaux matériaux de nitrure. En utilisant la science des matériaux computationnelle à haut débit, ils ont d'abord considéré 6, 000 composés nitrures potentiels en substituant des nitrures connus par de nouveaux éléments. Après vérification de la stabilité de ces éventuels nitrures, ils ont prédit 203 nouveaux composés de nitrure ternaires stables. Jusqu'à maintenant, seuls 213 nitrures stables étaient connus.

    Les deux premiers nitrures ternaires ont été découverts en 1927, et le troisième huit ans plus tard. Depuis, de nouveaux nitrures ont été découverts sporadiquement. Ce lot de 203 est de loin le plus grand nombre de nouveaux nitrures potentiels identifiés en une seule année.

    « Historiquement, les nitrures sont découverts au rythme de trois ou quatre par an, expérimentalement parlant, " a déclaré Zakoutaïev.

    Guidé par la carte, Zakutayev et son équipe ont d'abord réussi à synthétiser sept nouveaux nitrures ternaires en laboratoire. Plusieurs autres nitrures ont été synthétisés depuis la rédaction de l'article.

    La synthèse prouve la précision des prédictions

    "Jusque là, nous en battons mille, " dit Titulaire, un professeur-chercheur titulaire d'une nomination conjointe CU-NREL et co-auteur du nouvel article. "Chaque nitrure ternaire que nous avons prédit pourrait constituer un composé stable."

    La capacité de synthétiser les sept nouveaux nitrures, les auteurs ont noté dans le document, valide les prédictions de l'existence des autres nitrures "et met en évidence le rôle précieux de la découverte de matériaux informatiques dans l'accélération de la synthèse exploratoire dans de nouveaux espaces chimiques."

    La recherche fournit également une autre dimension au tableau périodique des éléments en indiquant la propension d'un groupe de métaux à former des nitrures ternaires stables ou métastables. Calcium, par exemple, se distingue par sa capacité à créer un nitrure. Le lithium aussi. Les scientifiques ont également pu écarter les métaux qui ne seront pas utiles dans la recherche sur les nitrures. "L'or ne veut pas se combiner avec l'azote, " Titulaire a dit, "et l'ajout d'un autre métal ne le stabilisera pas suffisamment pour que cela se produise."

    Possédant maintenant une meilleure compréhension des nitrures, les chercheurs peuvent aller de l'avant en déterminant leurs meilleures utilisations. Le prix Nobel de physique en 2014 a été décerné à un trio de chercheurs qui ont combiné plusieurs couches de nitrure de gallium pour inventer une LED bleue. Le couplage de leur lumière bleue avec des phosphores efficaces a permis la création d'ampoules LED blanches durables et économes en énergie. L'équipe des nitrures voit encore plus d'applications à l'horizon et au-delà.

    "Certainement, ces matériaux ont de nombreuses nouvelles applications fonctionnelles possibles, " Sun a déclaré. "Certains d'entre eux sont des semi-conducteurs et d'autres pourraient être des supraconducteurs. Beaucoup d'entre eux pourraient avoir des applications dont nous n'avons même pas encore rêvé. Il y a beaucoup de directions pour cela."


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