Les contraintes et les déformations peuvent altérer considérablement les propriétés d'un matériau, et TU Wien a maintenant développé une méthode pour rendre ces déformations internes visibles.

Matériaux bidimensionnels tels que le graphène, qui ne sont constitués que d'une ou de quelques couches atomiques, ont été un aspect très prometteur de la science des matériaux au cours des dernières années. Ils démontrent des propriétés remarquables qui ouvrent des possibilités techniques complètement nouvelles, de la technologie des capteurs aux cellules solaires.

Cependant, il existe un phénomène important qui n'a pas pu être mesuré avec précision jusqu'à présent :les contraintes et déformations internes extrêmes auxquelles de tels matériaux peuvent être soumis, qui altèrent souvent drastiquement les propriétés physiques du matériau. TU Wien a maintenant mesuré avec succès ces distorsions dans les matériaux 2D au niveau microscopique, ce qui signifie qu'il est désormais possible d'observer précisément (point par point) comment les propriétés d'un matériau peuvent être altérées à la suite d'une simple déformation. Ces nouvelles méthodes de mesure sont désormais publiées dans la revue spécialisée Communication Nature .

Étirement et compression

Lorsqu'un matériau est étiré ou comprimé, la distance entre les atomes individuels change, et cette distance a une influence sur les propriétés électroniques du matériau. Ce phénomène est utilisé depuis des années dans la technologie des semi-conducteurs :cristaux de silicium, par exemple, peuvent être cultivées de manière à subir en permanence des contraintes mécaniques internes.

Cependant, matériaux bidimensionnels, qui ne sont constitués que d'une couche ultra-mince, offrent un potentiel beaucoup plus grand :« Un cristal peut être étiré d'environ un pour cent avant de se briser. Avec des matériaux 2D, une déformation de dix ou vingt pour cent est possible", déclare le professeur Thomas Müller de l'Institut de photonique (Faculté de génie électrique et de technologie de l'information) de la TU Wien. En fonction de la déformation et des contraintes mécaniques présentes au sein du matériau, les propriétés électroniques peuvent changer complètement, comme la capacité des électrons à absorber la lumière entrante.

"Jusqu'à maintenant, si on voulait mesurer les contraintes présentes dans ce type de matériau il fallait s'appuyer sur des méthodes de mesure extrêmement compliquées", explique Lukas Mennel (TU Wien), auteur principal de la publication. Par exemple, vous pourriez observer la surface à l'aide d'un microscope électronique à transmission, mesurer la distance moyenne entre les atomes, puis en déduire tout étirement ou compression. A la TU Vienne, ce processus a maintenant été rendu beaucoup plus simple et plus précis.

Lumière rouge, lumière bleue éteinte

Ici, un effet remarquable appelé doublement de fréquence est utilisé :« Si vous irradiez des matériaux spécifiques – dans notre cas une couche de bisulfure de molybdène – avec un faisceau laser adapté, le matériau peut refléter un rétroéclairage d'une couleur différente", explique Thomas Müller. Deux photons dans le faisceau laser entrant sont combinés pour former un photon avec le double de l'énergie, qui est émis par le matériau.

Cependant, l'intensité de cet effet dépend de la symétrie interne du matériau. D'habitude, le bisulfure de molybdène a une structure en nid d'abeille, c'est-à-dire la symétrie hexagonale. Si le matériau est étiré ou comprimé, cette symétrie est légèrement déformée – et cette petite distorsion a un effet dramatique sur l'intensité de la lumière réfléchie par le matériau.

Si vous placez une couche de bisulfure de molybdène sur une microstructure, comme mettre une couverture en caoutchouc sur un portique d'escalade, le résultat est un modèle complexe de distorsions locales. Vous pouvez maintenant utiliser un laser pour scanner le matériau point par point et ainsi obtenir une carte détaillée de ces étirements et compressions. « Ce faisant, non seulement on peut mesurer la gravité de ces déformations, mais nous pouvons également voir la direction exacte dans laquelle ils courent", explique Lukas Mennel.

Ces méthodes d'imagerie peuvent maintenant être utilisées pour le local, ajustement ciblé des propriétés du matériau. "Par exemple, des déformations de matériaux personnalisées dans les cellules solaires pourraient garantir que les porteurs de charge gratuits sont diffusés dans la bonne direction le plus rapidement possible", dit Thomas Müller. Cette recherche sur les matériaux 2D signifie qu'un nouveau outil puissant est maintenant disponible.