Hydrures de pérovskite, dont la structure moléculaire contient des anions hydrogène (H ⁻ ), attirent une attention particulière en raison de leurs propriétés dérivées de l’hydrogène. De nombreux experts estiment que ces composés pourraient jouer un rôle clé dans l'étude et le développement de technologies de stockage de l'hydrogène, telles que les piles à combustible et les batteries de nouvelle génération, ainsi que dans les câbles supraconducteurs économes en énergie.

Même si les hydrures de pérovskite représentent une plate-forme unique pour la science appliquée des matériaux, la caractérisation de leurs propriétés physiques s'est avérée un défi. En particulier, mesurer le H ⁻ la conductivité de ces matériaux cristallins n’est pas simple. Dans la plupart des études, les chercheurs utilisent des échantillons en poudre dans leurs analyses de caractérisation, ce qui signifie que H ⁻ la conduction est affectée par les irrégularités (« limites de grains ») dans les cristaux.

Pour obtenir de vraies valeurs pour le H ⁻ intrinsèque conductivité d'une pérovskite donnée, il faut produire un monocristal uniforme et continu avec le moins d'imperfections possible. Pour les hydrures de pérovskite ternaires complexes, y parvenir est difficile, et très peu de groupes de recherche l'ont tenté.

Dans une étude récente publiée dans ACS Applied Energy Materials le 8 avril 2024, une équipe de chercheurs, dont Erika Fukushi, doctorante du Département des systèmes environnementaux régionaux de la Graduate School of Engineering and Science du Shibaura Institute of Technology (SIT), Japon, a décidé de relever le défi.

En utilisant une approche innovante pour produire des monocristaux de haute qualité, l’équipe a effectué certaines des premières mesures de conduction intrinsèque sur des hydrures de pérovskite ternaires. Ce travail est co-écrit par Fumiya Mori, Kota Munefusa et Hiroyuki Oguchi du SIT et Takayuki Harada de l'Institut national de science des matériaux.

Pour produire les monocristaux de pérovskite, les chercheurs ont développé et mis au point une méthode puissante appelée « dépôt laser infrarouge réactif aux radicaux H ». Cette approche consiste à projeter un laser infrarouge sur une pastille rotative en forme de disque contenant les atomes métalliques de la pérovskite souhaitée.

Dans leur étude, les chercheurs voulaient produire du MLiH₃ (où M est soit Sr, soit Ba), et donc la pastille était constituée d'un mélange grossièrement comprimé de MH₂ et les poudres LiH. Au fur et à mesure que cette pastille était chauffée par le laser, les métaux en étaient libérés dans une atmosphère environnante riche en radicaux H, obtenue en injectant de l'hydrogène dans la chambre de réaction à travers un filament de tungstène chauffé.

A proximité de la pastille se trouvait un substrat soigneusement sélectionné, sur lequel l'hydrogène et les métaux se combinaient spontanément pour former la pérovskite souhaitée. Lorsque les atomes ont commencé à s’accumuler sur le substrat, ils se sont spontanément disposés et alignés de manière cohérente avec les couches cristallines situées en dessous d’eux. Cela a conduit à la croissance épitaxiale d'un nanofilm sur le substrat.

"Notre approche est unique dans sa capacité à effectuer un dépôt dans une atmosphère d'hydrogène radicalaire, favorisant ainsi de manière significative la réaction entre le métal et l'hydrogène", explique Fukushi. "Cela aboutit à la synthèse de films minces d'hydrures monophasés en hydrogénant complètement les atomes métalliques qui ont naturellement tendance à persister dans le film."

Les chercheurs ont effectué plusieurs dépôts laser dans diverses conditions et ont soigneusement caractérisé les films minces résultants. À l’aide de nombreuses techniques avancées, notamment la diffraction des rayons X, la microscopie à force atomique et la microscopie électronique à balayage, ils ont déterminé la distribution élémentaire et la cristallinité de chacun des films. De cette manière, ils ont déterminé les conditions optimales dans leur configuration expérimentale pour la culture de MLiH₃ monocristallin bien ordonnée. .

Après avoir confirmé l'absence de joints de grains dans les films, l'équipe a finalement pu réaliser H ⁻ mesures de conductivité. A noter qu'il s'agissait des premières mesures du H ⁻ intrinsèque conductivité de ces cristaux, une information cruciale pour la sélection de matériaux dans de nombreuses applications liées à l'hydrogène.

"De nouvelles batteries secondaires et piles à combustible pourraient être développées en utilisant la conduction hydrure-ion", commente Fukushi. "De telles technologies pourraient encourager la diffusion des véhicules électriques et des énergies renouvelables, contribuant ainsi à la construction d'une société durable et économe en énergie."