Alors que l'intérêt pour les énergies renouvelables et les appareils économes en énergie continue de croître, Il en va de même de l'intérêt de la communauté scientifique pour la découverte et la conception de nouveaux matériaux dotés de propriétés physiques souhaitables qui pourraient être utilisés dans les cellules solaires ou les dispositifs de stockage d'énergie. Un outil clé dans ce travail est la spectroscopie de perte d'énergie électronique à haute résolution (HREELS), qui consiste à exposer un matériau à un faisceau d'électrons d'énergie cinétique connue. Alors que les électrons perdent de l'énergie lorsqu'ils rebondissent sur des atomes à la surface du matériau, que la perte d'énergie peut être mesurée et utilisée pour faire des déterminations importantes sur le matériau.

"Phonons, excitations collectives qui régissent le mouvement des atomes au sein du réseau cristallin d'un solide, sont un sujet d'intérêt particulier pour les scientifiques car ils affectent des propriétés physiques telles que la capacité d'un matériau donné à conduire l'électricité ou la chaleur, " a expliqué François C. Bocquet, un physicien au Forschungszentrum Jülich, un centre de recherche scientifique à Jülich, Allemagne. "Ces propriétés sont importantes car elles affectent l'aptitude d'un matériau à être utilisé dans différentes applications."

« Le défi a été que cela peut prendre beaucoup de temps pour les scientifiques des surfaces utilisant HREELS pour mesurer la dispersion des phonons ou la perte nette d'énergie sous tous les angles. Jusqu'à présent, il n'était possible de mesurer qu'un angle et qu'une perte d'énergie à la fois, il peut donc falloir plus d'une journée pour mesurer la dispersion. En réalité, cela pourrait prendre jusqu'à une semaine si vous ne choisissiez pas une énergie cinétique appropriée pour les électrons du faisceau entrant car cela impacte l'intensité des phonons et donc la facilité avec laquelle ils peuvent être mesurés, ", a déclaré Bocquet.

Pour résoudre ces problèmes, Bocquet et ses collègues ont adapté un instrument utilisé pour HREELS avec de nouveaux composants afin que la dispersion des phonons d'un matériau donné puisse être mesurée en quelques minutes. Ils décrivent leur appareil cette semaine dans le journal Examen des instruments scientifiques .

"Notre appareil comporte deux composants majeurs qui nous permettent d'améliorer la mesure de la dispersion des phonons, " Bocquet a dit, dont la recherche est également financée par le Fonds d'initiative et de réseautage de l'Association Helmholtz. "Le premier est un analyseur d'électrons hémisphérique, qui a été utilisé avec succès pendant plus d'une décennie dans la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire. La seconde est une source d'électrons à haute résolution en énergie qui a été développée en interne. Il peut être optimisé avec un logiciel que nous avons créé pour que les électrons du faisceau entrant aient l'énergie cinétique souhaitée et se concentrent sur une très petite zone de l'échantillon qui correspond au champ de vision de l'analyseur d'électrons hémisphérique."

Le délai amélioré pour déterminer la dispersion des phonons a l'avantage supplémentaire de permettre aux scientifiques des surfaces de traiter des échantillons dont la mesure était jusqu'à présent trop lourde.

« Les spécialistes des surfaces travaillent généralement dans des conditions de vide, car les surfaces qu'ils étudient doivent être extrêmement propres et ne contenir aucun contaminant. Étant donné qu'aucun vide n'est jamais parfait, cependant, ils doivent généralement arrêter de mesurer un échantillon donné après quelques heures et le préparer à nouveau. La réduction du temps de mesure de la dispersion permet désormais de mesurer des échantillons difficiles à préparer et de courte durée de vie, ", a déclaré Bocquet.

Bocquet et ses collègues ont l'intention d'utiliser leur appareil pour étudier des matériaux liés au graphène, une substance bien connue qui a suscité beaucoup d'intérêt parmi les scientifiques au cours de la dernière décennie. Ils sont également impatients de voir quels matériaux d'autres scientifiques des surfaces l'utilisent pour étudier.

"Il y a tellement de nouveaux matériaux intéressants en cours de développement dont les propriétés physiques pourraient être mieux comprises si nous pouvions mesurer leur dispersion des phonons, " Bocquet a déclaré. "Ces informations aideraient les scientifiques et les ingénieurs à déterminer l'aptitude de ces matériaux à être utilisés dans de nouveaux dispositifs qui répondent aux défis mondiaux urgents."