Carte de densité de charge d'une grande zone du matériau montrant un profil non homogène à travers le centre des colonnes interstitielles. Les vues agrandies des colonnes donnent des mesures quantitatives de l'inhomogénéité inattendue dans l'ensemble de données. Profils de ligne (rouge) à travers les centres des colonnes par rapport à la charge théoriquement prédite (noir, étiquetés DFT) montrent que des écarts significatifs existent dans certaines colonnes. Une explication théorique selon laquelle la déviation est causée par la présence de traces d'hydrogène a ensuite été corroborée par des expériences de diffusion de neutrons. Crédit :Zheng, et al.
Une équipe de chercheurs dirigée par le microscopiste du Laboratoire national d'Oak Ridge Miaofang Chi et le physicien théoricien de Vanderbilt Sokrates Pantelides a utilisé une nouvelle technique de microscope électronique à transmission à balayage pour imager la distribution des électrons dans les composés ioniques appelés électrides, en particulier les électrons qui flottent librement dans les poches et apparaissent séparé du réseau atomique.
La nouvelle technique, contraste de phase différentiel en STEM, mesure et cartographie les champs électriques et les distributions de charges à l'intérieur d'un matériau. L'étude est la première fois que DPC a été utilisé de cette manière. En analysant les images de charge de dizaines de ces canaux, l'équipe a constaté que seuls certains contiennent la charge négative prédite par les calculs théoriques, tandis que d'autres ont nettement moins de charge négative ou même une petite concentration de charge positive. Des décennies d'expérience de Pantelides avec l'hydrogène ont conduit à suggérer que des traces d'hydrogène, qui sont essentiellement impossibles à éliminer, sont responsables de l'inhomogénéité observée, et des calculs détaillés ultérieurs ont confirmé l'hypothèse. Les expériences de diffusion de neutrons ont fourni des preuves à l'appui du scénario de l'hydrogène.
Pantelides s'attend à ce que de nombreux physiciens et ingénieurs utilisent les résultats de cette étude pour éclairer leurs recherches, car toutes les technologies modernes reposent sur les propriétés électroniques des matériaux.
Un domaine de recherche exploratoire qui a pris son essor ces 10 dernières années, « les électrides étaient lentes à comprendre à cause de leurs propriétés étranges, " dit Chi, membre du personnel de recherche du Centre des sciences des matériaux en nanophase de l'ORNL. "Ce travail fournit une technique qui visualise et quantifie directement ces électrons qui se comportent comme un atome sans noyau, fournissant un outil unique pour enquêter sur les électrides."
« Les matériaux sont prometteurs, " dit Pantelides, Professeur émérite de physique et d'ingénierie de l'Université et professeur de physique William A. &Nancy F. McMinn. "Nous prévoyons que ce travail sera utilisé à la fois dans l'analyse expérimentale et théorique des propriétés exotiques des électrides et du rôle que l'hydrogène peut avoir dans leur comportement."
Actuellement, les informaticiens déploient des techniques d'apprentissage automatique pour identifier rapidement les matériaux avec des signatures d'électrides afin qu'ils puissent être étudiés plus avant. On sait déjà que les électrides sont bons pour stocker l'hydrogène, peuvent être utilisés comme catalyseurs, transportent de forts courants en raison de leur grande mobilité électronique et présentent souvent un magnétisme non conventionnel, même supraconductivité. Ces propriétés et d'autres rendent leur développement attrayant pour un éventail de technologies émergentes.
