La vie dans la nano-voie est rapide et vient de s'accélérer en termes de connaissance des mécanismes fondamentaux fonctionnant à l'échelle nanométrique, où les processus sont entraînés par une danse de particules telles que des atomes et des ions d'une taille d'un milliardième de mètre.

Faire progresser la compréhension à l'échelle nanométrique, une équipe de chercheurs chinois a développé une technique de visualisation basée sur la microscopie électronique à transmission (MET) in situ qui offre des fonctionnalités nouvelles et puissantes. Il corrèle directement la structure à l'échelle atomique avec les propriétés physiques et chimiques.

Les chercheurs expliquent en quoi leur découverte est importante pour la conception et la fabrication de la prochaine génération de dispositifs technologiques cette semaine dans le journal Lettres de physique appliquée . Ce travail a des applications potentielles qui vont des fenêtres intelligentes basées sur la technologie électrochrome qui changent de teinte lorsqu'un champ électrique est appliqué à une surface de fenêtre, à modifier son opacité en réponse à la tension, aux nouveaux dispositifs de gestion de l'énergie, l'information et l'environnement.

Chercheur Xuedong Bai, Doctorat., du Laboratoire national de physique de la matière condensée et de l'Institut de physique de Pékin, Académie chinoise des sciences, et le Collaborative Innovation Center of Quantum Matter, dirige une équipe qui collabore également avec l'International Center for Quantum Materials, École de physique, Université de Pékin.

"Maintenant, le mécanisme atomique des nouveaux dispositifs énergétiques, l'information et les applications environnementales est un enjeu important, " a déclaré Bai. " L'imagerie en temps réel des processus atomiques dans les phénomènes physiques et chimiques est la tâche de la technique MET in situ. L'un des objectifs de nos recherches est de comprendre les principes de base des dispositifs disponibles à l'échelle atomique, un autre est d'explorer les dispositifs révolutionnaires basés sur l'imagerie TEM in situ des processus atomiques."

Dans la technologie TEM lauréate du prix Nobel, un faisceau d'électrons - au lieu d'un faisceau lumineux utilisé dans les microscopes traditionnels - est transmis à travers un spécimen de métal à l'étude. En raison des longueurs d'onde plus petites des électrons, La technologie TEM offre aux enquêteurs une résolution beaucoup plus élevée afin qu'ils puissent voir plus de détails qu'avec un microscope optique.

Bai souligne que la relation entre structure et propriété est un intérêt fondamental en science des matériaux. Cependant, une contrainte à l'étude de cette relation est que la caractérisation de la structure et les mesures des propriétés sont généralement effectuées séparément, par des méthodes conventionnelles, en particulier pour les matériaux nanométriques. Leur nouveau mouvement impliquait de combiner ces étapes.

« Depuis 15 ans, nos travaux se sont concentrés sur la construction et les applications de la technique de microscopie électronique à transmission (MET) in situ, donc les propriétés à l'échelle nanométrique sous divers stimuli physiques, y compris électrique et optique, ont été étudiés en MET, " dit Bai.

En particulier, l'équipe s'est concentrée sur l'un des matériaux électrochimiques les plus utilisés, oxyde de tungstène, et une transition de phase critique de sa production. En utilisant leur technique TEM simplifiée à l'intérieur d'une cellule électrochimique, leur microscopique, des observations dynamiques ont révélé des mécanismes détaillés en temps réel impliqués dans la formation et l'évolution des nanofils électrochimiques d'oxyde de tungstène qui ont de nombreuses applications dans l'industrie.

L'un des aspects les plus intéressants de leur enquête était de sonder les processus d'électromigration ionique et leur transformation structurelle dynamique induite. Ils ont trouvé que ceux-ci sont étroitement liés aux performances électrochimiques, et a mieux compris le vaste potentiel des études d'imagerie MET in situ.

"De nouvelles propriétés et d'importantes préoccupations scientifiques peuvent être révélées par l'imagerie TEM in situ, par exemple, le processus redox à commande électrique, le site d'occupation des atomes de lithium dans le fonctionnement des batteries lithium-ion, et le transfert de masse dans la cellule de réaction électromécanique, peuvent tous bénéficier de l'imagerie MET in situ, " dit Bai.

Pour leur prochaine étape, les chercheurs étendent la technique d'imagerie à l'échelle atomique TEM in situ pour la combiner avec la spectroscopie optique ultrarapide. Avec cette extension, l'imagerie à haute résolution dans l'espace et dans le temps sera possible.