Une équipe de scientifiques expérimentaux et informatiques dirigée par Tim Strobel et Venkata Bhadram de Carnegie ont synthétisé une forme de nitrure de titane recherchée depuis longtemps, Ti 3 N 4 , qui possède des propriétés mécaniques et optoélectroniques prometteuses.

Nitrure de titane standard (TiN), avec un rapport de un à un de titane et d'azote, présente une structure cristalline ressemblant à celle du sel de table-chlorure de sodium, ou NaCl. C'est un métal aux propriétés abrasives et donc utilisé pour les revêtements d'outils et la fabrication d'électrodes. Nitrure de titane avec un rapport de trois à quatre de titane et d'azote, appelé nitrure de titane, est resté insaisissable, malgré les prédictions théoriques antérieures de son existence et le fait que des nitrures avec ce rapport ont été identifiés pour les autres membres du groupe du titane sur la table de période, y compris le zirconium.

L'équipe de Strobel et Bhadram—Hanyu Liu de Carnegie, et Rostislav Hrubiak, ainsi que Vitali B. Prakapenka de l'Université de Chicago, Enshi Xu et Tianshu Li de l'Université George Washington, et Stephan Lany du National Renewable Energy Laboratory — ont relevé le défi. Leur travail est publié et mis en avant en tant que suggestion de l'éditeur dans Documents d'examen physique .

Ils ont créé Ti 3 N 4 en phase cristalline cubique à l'aide d'une cellule à enclume de diamant chauffée au laser, qui a été porté à environ 740, 000 fois la pression atmosphérique normale (74 gigapascals) et environ 2, 200 degrés Celsius (2, 500 kelvins). Des outils avancés de radiographie et de spectroscopie ont confirmé la structure cristalline que l'équipe avait créée dans ces conditions, et des calculs théoriques basés sur des modèles leur ont permis de prédire la nature thermodynamique et les propriétés physiques du Ti 3 N 4 .

Le TiN semblable au sel de table est métallique, ce qui signifie qu'il peut conduire un flux d'électrons qui constitue un courant. Mais Ti cubique 3 N 4 est un semi-conducteur, ce qui signifie qu'il peut avoir sa conductivité électrique activée et désactivée. Cette possibilité est extrêmement utile dans les appareils électroniques. Les semi-conducteurs à base de titane sont particulièrement populaires comme catalyseurs pour les réactions solaires de division de l'eau pour produire de l'hydrogène, une source d'énergie propre et renouvelable.

Cette capacité à activer et désactiver la conductivité est possible car certains des électrons d'un semi-conducteur peuvent passer d'états isolants à faible énergie à des états conducteurs à énergie plus élevée lorsqu'ils sont soumis à un apport d'énergie. L'énergie nécessaire pour initier ce saut est appelée bande interdite. La bande interdite pour le Ti3N4 cubique est plus grande que prévu sur la base des prédictions du modèle précédent. Par ailleurs, comme le TiN métallique, Ti 3 N 4 devrait présenter d'excellentes propriétés mécaniques et de résistance à l'usure.

« À notre connaissance, il s'agit du premier rapport expérimental sur le nitrure de titane semi-conducteur », a déclaré l'auteur principal Bhadram. "Nous pensons que ce travail stimulera d'autres efforts expérimentaux et théoriques pour concevoir de nouvelles façons d'intensifier la synthèse de Ti 3 N 4 à pression ambiante."