Une représentation schématique du microscope à force atomique interagissant avec la surface du matériau. Crédit :Crédit :Rama Vasudevan, ORNL
Comprendre où et comment les transitions de phase se produisent est essentiel pour développer de nouvelles générations de matériaux utilisés dans les batteries haute performance, capteurs, dispositifs de récupération d'énergie, équipement de diagnostic médical et autres applications. Mais jusqu'à présent, il n'y avait pas de bon moyen d'étudier et de cartographier simultanément ces phénomènes aux échelles de longueur pertinentes.
Maintenant, des chercheurs du Georgia Institute of Technology et du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ont développé une nouvelle technique non destructive pour étudier ces changements matériels en examinant la réponse acoustique à l'échelle nanométrique. Les informations obtenues à partir de cette technique - qui utilise des sondes de microscope à force atomique (AFM) électriquement conductrices - pourraient guider les efforts visant à concevoir des matériaux aux propriétés améliorées à petite échelle.
L'approche a été utilisée dans les matériaux ferroélectriques, mais pourrait aussi avoir des applications dans les ferroélastiques, les acides protoniques solides et les matériaux connus sous le nom de relaxants. Parrainé par la National Science Foundation et le Department of Energy's Office of Science, la recherche a été publiée le 15 décembre dans le journal Matériaux fonctionnels avancés .
"Nous avons développé une nouvelle technique de caractérisation qui nous permet d'étudier les changements de la structure cristalline et les changements de comportement des matériaux à des échelles de longueur sensiblement plus petites avec une approche relativement simple, " dit Nazanin Bassiri-Gharb, professeur agrégé à la Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech. « Savoir où se produisent ces transitions de phase et à quelles échelles de longueur peut nous aider à concevoir des matériaux de nouvelle génération. »
Variations du profil énergétique du cristal sous un champ électrique appliqué croissant, montrant un changement un changement de phase dans le matériau. Crédit :Crédit :Hamidreza Khassaf, Université du Connecticut
Dans les matériaux ferroélectriques tels que le PZT (titanate de zirconate de plomb), des transitions de phase peuvent se produire aux frontières entre un type de cristal et un autre, sous des stimuli externes. Des propriétés telles que les effets piézoélectriques et diélectriques peuvent être amplifiées aux frontières, qui sont causées par la « chimie confuse » multi-éléments des matériaux. La détermination du moment où ces transitions se produisent peut être effectuée dans des matériaux en vrac en utilisant diverses techniques, et aux plus petites échelles à l'aide d'un microscope électronique.
Les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient détecter ces transitions de phase à l'aide de techniques acoustiques dans des échantillons à des échelles de taille comprises entre la masse et des dizaines d'atomes. En utilisant les techniques de microscopie à force piézo-réponse à excitation de bande (BE-PFM) développées à l'ORNL, ils ont analysé les changements résultants dans les fréquences de résonance pour détecter les changements de phase dans la taille des échantillons pertinents pour les applications matérielles. Pour faire ça, ils ont appliqué un champ électrique aux échantillons à l'aide d'une pointe AFM qui avait été recouverte de platine pour la rendre conductrice, et par la génération et la détection d'une bande de fréquences.
« Nous avons de très bonnes techniques pour caractériser ces changements de phase à grande échelle, et nous avons pu utiliser la microscopie électronique pour déterminer presque atomistiquement où se produit la transition de phase, mais jusqu'à ce que cette technique soit développée, nous n'avions rien entre les deux, " a déclaré Bassiri-Gharb. " Pour influencer la structure de ces matériaux par des moyens chimiques ou autres, nous avions vraiment besoin de savoir où la transition s'effondre, et à quelle échelle de longueur cela se produit. Cette technique comble une lacune dans nos connaissances."
Les changements que les chercheurs détectent acoustiquement sont dus aux propriétés élastiques des matériaux, ainsi pratiquement n'importe quel matériau présentant des changements similaires dans les propriétés élastiques pourrait être étudié de cette manière. Bassiri-Gharb s'intéresse aux ferroélectriques comme le PZT, mais les matériaux utilisés dans les piles à combustible, piles, les transducteurs et les dispositifs de récupération d'énergie pourraient également être examinés de cette façon.
"Cette nouvelle méthode permettra de mieux comprendre les matériaux de récupération d'énergie et de transduction d'énergie à la longueur des ventes pertinentes, " a noté Rama Vasudeven, le premier auteur de l'article et un scientifique des matériaux au Center for Nanophase Materials Sciences, une installation utilisatrice du département de l'Énergie des États-Unis à l'ORNL.
Les chercheurs ont également modélisé les matériaux relaxeurs-ferroélectriques à l'aide de méthodes thermodynamiques, qui a soutenu l'existence d'une transition de phase et l'évolution d'un modèle de domaine complexe, en accord avec les résultats expérimentaux.
L'utilisation de la technique basée sur l'AFM offre un certain nombre de caractéristiques intéressantes. Les laboratoires utilisant déjà un équipement AFM peuvent facilement le modifier pour analyser ces matériaux en ajoutant des composants électroniques et une pointe de sonde conductrice, a noté Bassiri-Gharb. L'équipement AFM peut être utilisé dans une plage de température, champ électrique et autres conditions environnementales qui ne sont pas facilement mises en œuvre pour l'analyse au microscope électronique, permettant aux scientifiques d'étudier ces matériaux dans des conditions opératoires réalistes.
"Cette technique permet de sonder une gamme de matériaux différents à petite échelle et dans des conditions environnementales difficiles qui seraient inaccessibles autrement, " a déclaré Bassiri-Gharb. " Les matériaux utilisés dans les applications énergétiques subissent ce genre de conditions, et notre technique peut fournir les informations dont nous avons besoin pour concevoir des matériaux avec des réponses améliorées."
Bien que largement utilisé, relaxor-ferroélectriques et PZT ne sont pas encore bien compris. Dans les relaxants-ferroélectriques, par exemple, on pense qu'il y a des poches de matière dans des phases qui diffèrent de la masse, une déformation qui peut contribuer à conférer des propriétés attractives au matériau. En utilisant leur technique, les chercheurs ont confirmé que les transitions de phase peuvent être extrêmement localisées. Ils ont également appris que des réponses élevées des matériaux se sont produites à ces mêmes endroits.
Les prochaines étapes consisteraient à faire varier la composition chimique du matériau pour voir si ces transitions - et ces propriétés améliorées - peuvent être contrôlées. Les chercheurs prévoient également d'examiner d'autres matériaux.
"Il s'avère que de nombreux matériaux liés à l'énergie ont des transitions électriques, nous pensons donc que cela va être très important pour l'étude des matériaux fonctionnels en général, " Bassiri-Gharb a ajouté. " Le potentiel pour acquérir une nouvelle compréhension de ces matériaux et de leurs applications est énorme. "
