Une nouvelle combinaison de microscopie et de traitement de données a donné aux chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie un regard sans précédent sur la surface d'un matériau connu pour ses propriétés physiques et électrochimiques inhabituelles.

L'équipe de recherche dirigée par Zheng Gai de l'ORNL a examiné comment l'oxygène affecte la surface d'une manganite pérovskite, un matériau complexe qui présente un comportement magnétique et électronique spectaculaire. La nouvelle voie pour comprendre le comportement de la surface pourrait profiter aux chercheurs intéressés par l'utilisation d'une large gamme de matériaux d'oxyde corrélés pour des applications telles que les piles à combustible solide ou les capteurs d'oxygène.

"Les propriétés de surface sont essentielles pour toute application sensible, parce que la surface contrôle l'interaction avec le monde extérieur, " a déclaré le co-auteur Art Baddorf.

Les résultats de l'équipe, Publié dans Communication Nature , souligner pourquoi les matériaux sont dits « fortement corrélés : »                                               tout changement mineur peut influencer l'ensemble du système.

"C'est comme si le matériel avait beaucoup de boutons, et si vous en tournez un, toutes les propriétés changent, " dit Gai. " Vous tournez un bouton différent et tout change à nouveau. Il s'avère que la surface est un autre bouton, vous pouvez l'utiliser pour modifier les propriétés."

Les chercheurs ont utilisé la microscopie à effet tunnel à haute résolution pour générer des images de la surface de la manganite, jusqu'au niveau de 30 picomètres. Un picomètre est un trillionième de mètre. Ils ont ensuite traité les données d'imagerie pour déterminer la position de chaque atome et calculer les angles entre les atomes.

« Savoir où sont positionnés les atomes montre comment ils interagissent, " a déclaré Baddorf.

Les "cartes de distorsion" résultantes ont mis en évidence des zones structurelles appelées domaines qui n'étaient pas facilement identifiées dans les images brutes. Les cartes montraient clairement comment la présence d'atomes d'oxygène forçait les atomes dans un motif en damier connu sous le nom de distorsion de Jahn-Teller. Gai dit que l'étude de l'équipe est la première fois que le phénomène est observé à la surface d'un matériau.

"L'oxygène modifie totalement l'énergie de surface, " dit Gai. " Une fois que vous aurez introduit de l'oxygène, les électrons n'aiment pas former une ligne droite; ils zigzaguent pour atteindre un état énergétique inférieur. Cette distorsion est un concept très courant dans les matériaux en vrac, mais personne n'a été capable de montrer cet effet à la surface auparavant."

L'étude est publiée sous le titre "Commande Jahn-Teller induite chimiquement sur des surfaces de manganite". Les coauteurs sont Wenzhi Lin de l'ORNL, Paul Snijders, Thomas Ward, J. Shen, Stephen Jesse, Sergueï Kalinine, et Arthur Baddorf; J.D. Burton et Evgeny Tsymbal de l'Université du Nebraska; et K. Fuchigami de IHI Corporation.

Cette recherche a été menée en partie au Center for Nanophase Materials Sciences, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Le Bureau des sciences du DOE a soutenu la recherche. Les travaux à l'Université du Nebraska-Lincoln ont été soutenus par la National Science Foundation.