Le terme alliage désigne généralement un mélange de plusieurs métaux. Cependant, d'autres matériaux peuvent également être alliés. Dans l'industrie des semi-conducteurs, par exemple, les alliages d'oxyde et de nitrure ont longtemps été utilisés avec succès pour ajuster les propriétés fonctionnelles du matériau. D'habitude, ces changements se produisent progressivement et les propriétés des matériaux de base sont encore faciles à reconnaître.

Cependant, si des composés avec des structures cristallines inégalées sont mélangés, des "alliages hétérostructuraux" sont formés. Dans ces alliages, les changements de structure dépendent du rapport de mélange des composants. Parfois, cela donne des propriétés surprenantes qui diffèrent remarquablement de celles des matériaux de base. Ce sont ces alliages d'oxydes qui intéressent le chercheur de l'Empa Sebastian Siol. Il veut non seulement les découvrir, mais les rendre utilisables dans la vie de tous les jours. Dans sa quête pour trouver le matériau désiré, il doit surveiller plusieurs propriétés des matériaux à la fois, comme la structure, les propriétés électroniques et la stabilité à long terme.

Siol a rejoint l'Empa l'année dernière. Précédemment, il a mené des recherches au National Renewable Energy Research Laboratory (NREL) à Golden, Colorado, où il a laissé une publication notable :alliages à « pression négative ». Avec ses collègues, il a mélangé le séléniure de manganèse et le tellurure de manganèse à l'aide d'une technique à la vapeur froide (pulvérisation magnétron). A certains rapports, les matériaux de base ont fusionné pour former un réseau cristallin qui était "inconfortable" pour les deux composants. Aucun des partenaires n'a pu forcer sa structure cristalline préférée, qu'il préfère à l'état pur, sur l'autre.

Le compromis qui en a résulté était une nouvelle phase, qui normalement ne se formerait qu'à une "pression négative", c'est-à-dire lorsque le matériau est exposé en permanence à une tension. Ces matériaux sont extrêmement difficiles à produire dans des conditions normales. Siol et ses collègues du NREL ont réussi à surmonter cette difficulté. Le nouveau matériel, désormais accessible grâce à cette méthode, affiche de nombreuses propriétés utiles. Par exemple, il est piézoélectrique. En d'autres termes, il peut être utilisé pour produire de l'électricité, produire des détecteurs ou mener des expériences sur les semi-conducteurs, ce qui n'aurait pas été possible avec les matériaux de base purs.

Recherche de systèmes stables

A l'Empa, Siol apportera son expérience dans la fabrication d'alliages d'oxydes "impossibles". Il vise à découvrir des mélanges d'oxydes à structure variable et ainsi les stabiliser à un point tel qu'ils deviennent aptes à un usage quotidien. Le Laboratoire des technologies d'assemblage et de la corrosion dirigé par Lars Jeurgens possède une vaste expérience dans les applications pratiques pour les couches d'oxydes et les alliages stables. L'accent initial est mis sur les oxydes mixtes de titane et d'oxyde de tungstène, ce qui pourrait être intéressant pour les revêtements de fenêtres, technologie des semi-conducteurs ou technologie des capteurs. La collègue de Siol, Claudia Cancellieri, étudie les propriétés électroniques des interfaces oxyde depuis plusieurs années et apporte son expertise au projet.

"La combinaison de matériaux est très excitante, " explique Siol. Les oxydes de titane sont extrêmement stables et utilisés dans les cellules solaires, peintures murales et dentifrice. Oxydes de tungstène, d'autre part, sont relativement instables et sont utilisés pour les fenêtres intelligentes, capteurs de gaz ou comme pots catalytiques en pétrochimie. "Autrefois, des recherches souvent centrées uniquement sur l'optimisation des propriétés des matériaux, " dit Siol. " C'est crucial, cependant, que le matériau peut être utilisé pendant plusieurs années dans le domaine d'application respectif." Par exemple, cela serait important pour les revêtements semi-conducteurs dans les fenêtres électrochromes, qui doivent durer des décennies dans des environnements agressifs, exposé au soleil et aux variations de température. Les chercheurs de l'Empa recherchent cette stabilité à long terme.

Pour produire ces phases d'oxyde, Siol et ses collègues utilisent différentes techniques évolutives industriellement :oxydation contrôlée de films métalliques minces dans un four tubulaire ou une solution électrolytique, ainsi que la pulvérisation cathodique réactive, où les métaux sont oxydés directement pendant le processus de dépôt. Alliages d'oxydes "impossibles", l'objet de la recherche fondamentale jusqu'à présent, deviennent ainsi progressivement tangibles pour des applications industrielles.