Comprendre et contrôler le fonctionnement du processus de diffusion à l'échelle atomique est une question importante dans la synthèse des matériaux. Pour les nanoparticules, la stabilité, Taille, structure, composition, et l'ordre atomique dépendent tous de la position à l'intérieur de la particule, et la diffusion affecte à la fois toutes ces propriétés et est affectée par elles. Une compréhension plus approfondie des mécanismes et des effets de la diffusion dans les nanocristaux aidera à développer des méthodes de synthèse contrôlées pour obtenir les propriétés particulières; cependant, les méthodes conventionnelles d'étude de la diffusion dans les solides ont toutes des limites.

Compte tenu du besoin de techniques d'imagerie sensibles à des dynamiques plus lentes et permettant d'étudier le comportement de diffusion dans des nanocristaux individuels à l'échelle atomique et en trois dimensions (3-D), une équipe de chercheurs a utilisé la sensibilité à la déformation de l'imagerie par diffraction cohérente de Bragg (BCDI) pour étudier la diffusion du fer dans des nanocristaux d'or individuels in situ à des températures élevées. Leurs travaux ont été récemment publiés dans le Nouveau Journal de Physique .

Mesure de la diffusion dans les solides

Méthodes directes d'étude de la diffusion dans les solides (telles que le profilage mécanique et par pulvérisation, spectrométrie de masse d'ions secondaires, et analyse par microsonde électronique) ne fournissent qu'une quantité macroscopique, le coefficient de diffusion. Les méthodes indirectes (telles que la spectroscopie neutronique quasi-élastique et la spectroscopie Mössbauer) peuvent fournir des informations microscopiques sur le processus de diffusion, mais sont limités à un nombre restreint d'isotopes et à des valeurs de diffusivité relativement rapides. Les méthodes existantes pour les études de diffusion dans les solides ont également tendance à moyenner les signaux sur un certain nombre de structures, mais dans les nanocristaux, l'hétérogénéité de l'échantillon est significative et peut affecter les résultats. La microscopie électronique à transmission (MET) permet d'étudier la diffusion dans des nanoparticules individuelles, mais est limité aux échantillons minces ( <100 nm) et la préparation de l'échantillon nécessaire peut être destructrice.

La capacité de BCDI à imager la déformation en 3-D dans des nanocristaux individuels est extrêmement utile et très nouvelle. Cette technique de développement utilise des rayons X cohérents, qui permet de cartographier en 3-D la contrainte au sein de nanocristaux individuels. Les chercheurs mesurent le diagramme de diffraction du cristal, puis utiliser des algorithmes de récupération de phase itératifs pour reconstruire la structure 3D du cristal dans l'espace réel. La densité électronique reconstruite se compose de l'amplitude (généralement appelée amplitude) et de la phase, qui correspondent à la morphologie et à la déformation du cristal. La sensibilité à la déformation du BCDI peut être utilisée pour étudier la diffusion d'atomes dans un nanocristal, car la diffusion devrait induire des distorsions de réseau mesurables.

BCDI de nanoparticules d'or-fer

Dans cette étude, une équipe de chercheurs de l'University College London, Londres, Laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis, Diamond et le complexe de recherche d'Harwell ont utilisé le BCDI sur la ligne de lumière I07 pour étudier le comportement de diffusion en 3D dans un alliage or-fer. Les nanoparticules d'or ont des propriétés optiques intéressantes, et leur surface peut être réglée pour des fonctions spécifiques. Leur biocompatibilité en fait un choix évident pour les applications médicales. Le fer peut être utilisé pour introduire des propriétés magnétiques intéressantes dans les nanoparticules, cependant, il est sujet à l'oxydation et présente une toxicité cellulaire élevée dans un contexte médical.

Les nanoparticules d'or-fer offrent un matériau aux propriétés à la fois magnétiques et optiques, à la fois biocompatible et protégé de l'oxydation. Ils ont des applications médicales potentielles en imagerie par résonance magnétique, hyperthermie, et l'administration ciblée de médicaments.

L'équipe a mesuré le diagramme de diffraction de nanocristaux d'or individuels en fonction de la température et du temps, avant et après dépôt de fer. Ils ont utilisé des algorithmes de récupération de phase pour obtenir des reconstructions spatiales réelles des nanocristaux, observation de l'alliage du fer avec l'or à des températures d'échantillon de 300 à 500 °C et du désalliage du fer à partir de l'or à 600 °C. Ils ont constaté que le volume de la région alliée dans les nanocristaux augmentait avec la dose de fer. Leurs résultats suggèrent que les échantillons ont atteint l'équilibre relativement rapidement après le dépôt de fer, et la distribution de phase résultante dans les nanocristaux d'or après les dépôts de fer suggère une contraction due à la diffusion du fer.

Cette étude démontre l'utilité du BCDI pour l'étude du comportement de diffusion et d'alliage 3-D dans des nanocristaux individuels à l'échelle atomique. Il a étudié avec succès les changements dans la structure des nanocristaux d'or individuels à la suite de la diffusion et de l'alliage avec le fer, à différentes températures et doses de métaux, avec une résolution de déformation au picomètre.

L'auteur principal Ana Estandarte ajoute :« BCDI est une technique qui peut être appliquée à une large gamme de matériaux et sa capacité à examiner de manière non destructive la déformation 3D dans les matériaux à l'échelle atomique pendant les processus dynamiques est puissante. Ayant étudié avec succès la changements dans les nanocristaux au cours de la diffusion dans cette étude, nous cherchons à appliquer la technique à l'avenir pour étudier les processus dans les matériaux de batterie."