Les imperfections dans les arrangements atomiques réguliers dans les cristaux déterminent de nombreuses propriétés d'un matériau, et leur diffusion est à l'origine de nombreux changements microstructuraux dans les solides. Cependant, l'imagerie d'arrangements atomiques non répétitifs est difficile dans les matériaux conventionnels. Maintenant, des chercheurs de l'Université de Vienne ont directement imagé la diffusion d'un défaut atomique en forme de papillon dans le graphène, le matériau miracle bidimensionnel récemment découvert, sur de longues séquences d'images. Les résultats sont publiés dans la prestigieuse revue Communication Nature .

Les défauts d'échelle atomique sont toujours présents dans les matériaux. Pour les matériaux conventionnels, ils sont cachés à l'intérieur d'un grand nombre d'atomes parfaitement disposés, sauf en surface. Cependant, la situation est différente dans le cas de matériaux de faible dimension comme le graphène.

Le graphène est un arrangement en nid d'abeille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome de carbone. Depuis sa découverte en 2004, plusieurs propriétés remarquables de ce matériau ont été mesurées. Par exemple, il est plus fort que le diamant et conduit mieux l'électricité que le cuivre, mais est néanmoins transparent et remarquablement flexible. Parce que tous les atomes du graphène sont à la surface, les atomes individuels et tous les défauts de la structure sont directement visibles au microscope électronique à haute résolution, mais en même temps, ils interagissent facilement avec l'environnement.

Le défaut sur lequel les chercheurs se sont concentrés dans la récente étude à Vienne est une double lacune qui se forme lorsqu'il manque deux atomes dans le cristal. Dans la forme la plus stable de ce défaut, les hexagones du réseau de graphène se transforment en un arrangement de quatre pentagones et quatre heptagones (cycles de carbone à cinq et sept chaînons, respectivement) qui ressemble à un papillon à l'échelle atomique. L'étude a été réalisée avec le microscope Nion UltraSTEM 100, qui n'a été installé à Vienne que l'année dernière. La combinaison du vide ultra poussé et de la faible tension d'accélération de cet appareil ont été des éléments clés pour le succès de l'étude. Dans des expériences antérieures, les défauts ont toujours évolué rapidement vers des structures plus complexes ou se sont reconvertis en graphène cristallin, empêchant ainsi l'imagerie continue de leur diffusion sur de longues périodes de temps. Maintenant, les défauts sont restés stables plus longtemps, ce qui a permis une analyse statistique de leur mouvement.

Les chercheurs ont utilisé le faisceau d'électrons du microscope pour transformer le défaut entre différents arrangements, ce qui a entraîné une migration de la structure d'une image à l'autre. "C'était remarquable de voir pour la première fois comment un défaut se transforme et migre dans le cristal pendant plusieurs minutes pendant que nous l'observons", dit Jani Kotakoski, l'auteur principal de l'étude. Une analyse minutieuse du chemin du défaut a révélé que le défaut effectuait une marche aléatoire à travers le cristal. "Notre étude ouvre une nouvelle voie pour l'étude directe de la migration et de la diffusion des défauts dans les matériaux de faible dimension, ce qui peut également conduire à de nouvelles connaissances sur la dynamique des défauts dans les solides en général", conclut-il.