Une équipe de recherche du NIMS a réussi à identifier les atomes et les défauts courants existant à la surface la plus stable de la forme anatase du dioxyde de titane en caractérisant ce matériau à l'échelle atomique avec une microscopie à sonde à balayage. Ce travail a été publié sous politique de libre accès dans la version en ligne de Communication Nature le 29 juin, 2015.

L'équipe de recherche composée d'Oscar Custance et Tomoko Shimizu, chef de groupe et scientifique principal, respectivement, au groupe de sonde de force atomique, NIMS, Daisuke Fujita et Keisuke Sagisaka, chef de groupe et chercheur principal, respectivement, au Groupe Caractérisation de Surface, NIMS, et scientifiques de l'Université Charles en République tchèque, Université autonome de Madrid en Espagne, et d'autres organisations ont combiné des mesures simultanées de microscopie à force atomique (AFM) et de microscopie à effet tunnel (STM) avec des calculs de premiers principes pour l'identification sans ambiguïté des espèces atomiques à la surface la plus stable de la forme anatase du dioxyde de titane (ci-après dénommé anatase ) et ses défauts les plus courants.

Dans les années récentes, anatase a attiré une attention considérable, car il est devenu un matériau pivot dans les dispositifs de photocatalyse et de conversion de l'énergie solaire en électricité. Il est extrêmement difficile de faire croître de gros monocristaux d'anatase, et la plupart des applications de ce matériau se présentent sous la forme de nanocristaux. Améliorer la réactivité catalytique de l'anatase et l'efficacité des dispositifs de conversion de l'énergie solaire à base d'anatase, il est essentiel de bien comprendre et maîtriser les réactions qui se déroulent à la surface de ce matériau jusqu'au niveau atomique. Seuls quelques groupes de recherche dans le monde possèdent la technologie pour créer des échantillons d'essai appropriés et pour faire des observations in situ au niveau atomique des surfaces d'anatase.

Dans cette étude, l'équipe de recherche a utilisé des échantillons obtenus à partir de monocristaux naturels d'anatase extraits de roches anatase naturelles. L'équipe a caractérisé la surface de l'anatase au niveau atomique au moyen d'AFM et de STM simultanés. En utilisant des molécules d'eau uniques comme marqueurs atomiques, l'équipe a réussi à identifier les espèces atomiques de cette surface; résultat qui a en outre été confirmé par la comparaison des mesures simultanées AFM et STM avec les résultats des calculs des premiers principes.

Dans la STM régulière, dans lequel une sonde atomiquement pointue est balayée sur la surface en maintenant constant un courant électrique circulant entre elles, il est difficile d'imager de manière stable des surfaces anatase car ce matériau présente une mauvaise conductivité électrique sur certaines des positions atomiques de la surface. Cependant, le fonctionnement simultané de l'AFM et du STM a permis d'imager la surface avec une résolution atomique même dans la bande interdite des matériaux (une région où se trouve le flux de courant entre la sonde et la surface, en principe, interdit). Ici, la détection des forces inter-atomiques entre le dernier atome de la sonde atomiquement pointue et les atomes de la surface par AFM était d'une importance cruciale. En régulant la distance sonde-surface à l'aide de l'AFM, il a été possible d'imager la surface à l'échelle atomique tout en collectant des données STM sur les zones conductrices et non conductrices de la surface. En comparant les mesures AFM et STM simultanées avec des simulations théoriques, l'équipe a non seulement été en mesure de discerner quelles espèces atomiques contribuaient aux images AFM et STM, mais également d'identifier les défauts les plus courants trouvés à la surface.

À l'avenir, sur la base des informations tirées de cette étude, l'équipe de recherche du NIMS mènera des recherches sur des molécules d'intérêt technologique qui s'adsorbent sur l'anatase et caractériseront ces systèmes hybrides en utilisant simultanément l'AFM et le STM. Leur objectif ultime est de formuler de nouvelles approches pour le développement de photocatalyseurs et de matériaux et dispositifs pour cellules solaires.

Cette étude a été publiée sous la politique d'accès libre dans la version en ligne de Communication Nature le 29 juin, 2015.