Afin de comprendre les matériaux avancés comme les nanostructures de graphène et de les optimiser pour des dispositifs en nano-, technologie opto et quantique, il est crucial de comprendre comment les phonons, la vibration des atomes dans les solides, influencent les propriétés des matériaux. Chercheurs de l'Université de Vienne, l'Institut avancé des sciences et technologies du Japon, la société JEOL et l'Université La Sapienza de Rome ont développé une méthode capable de mesurer tous les phonons existant dans un matériau nanostructuré. Il s'agit d'une percée dans l'analyse des matériaux et dispositifs fonctionnels à l'échelle nanométrique. Avec cette expérience pilote utilisant des nanostructures de graphène, ces chercheurs ont montré l'unicité de leur approche, qui sera publié dans le dernier numéro de La nature .

thermique important, mécanique, Les caractéristiques optoélectroniques et de transport des matériaux sont régies par les phonons :les ondes vibrationnelles atomiques qui se propagent. Il est alors inférable que la détermination de telles vibrations atomiques étendues est cruciale pour l'optimisation des dispositifs nanoélectroniques. Les techniques actuellement disponibles utilisent des méthodes optiques ainsi que des électrons inélastiques, Diffusion des rayons X et des neutrons. Malgré son importance scientifique au cours de la dernière décennie, aucune de ces méthodes n'a pu déterminer tous les phonons d'une monocouche autonome de matériaux bidimensionnels (2-D) tels que le graphène et leurs variations locales au sein d'un nanoruban de graphène, qui sont à leur tour utilisés comme éléments actifs en nano- et optoélectronique.

Les nouvelles limites de la nanospectroscopie

Une équipe de recherche internationale d'experts de premier plan en spectroscopie électronique dirigée par Thomas Pichler à l'Université de Vienne, la spectroscopie théorique dirigée par Francesco Mauri à l'Université La Sapienza à Rome et la microscopie électronique dirigée par Kazu Suenaga à l'AIST Tsukuba au Japon, en collaboration avec la société japonaise JEOL ont présenté une méthode originale l'appliquant aux nanostructures de graphène comme modèle :« spectroscopie électronique à haute résolution à l'intérieur d'un microscope électronique avec une sensibilité suffisante pour mesurer même une monocouche atomique ». De cette manière, ils ont pu pour la première fois déterminer tous les modes vibrationnels du graphène autonome ainsi que l'extension locale des différents modes vibrationnels dans un nanoruban de graphène. Cette nouvelle méthode, ce qu'ils ont appelé « cartographie à grand q » ouvre des possibilités entièrement nouvelles pour déterminer l'extension spatiale et impulsionnelle des phonons dans tous les matériaux avancés nanostructurés et bidimensionnels. Ces expériences repoussent les limites de la nanospectroscopie en se rapprochant des limites du principe d'incertitude de Heisenberg et démontrent de nouvelles possibilités pour étudier les modes de vibration locaux à l'échelle nanométrique jusqu'aux monocouches individuelles.

Nouveau nanospectromètre à électrons comme synchrotron "de table"

« La preuve expérimentale directe de la cartographie spatiale et dynamique complète des vibrations locales de tous les matériaux, y compris même les matériaux monocouches 2-D et les nanorubans, nous permettra de démêler complètement différents modes de vibration et leurs transferts de quantité de mouvement au niveau de structures non parfaites telles que les bords ou défauts, qui sont extrêmement importants pour comprendre et optimiser les propriétés locales d'un matériau, " explique l'un des principaux auteurs, Ryosuke Senga.

Cette étude du "High q-Mapping Of Vibrations" au microscope électronique ouvre une nouvelle voie de nanospectroscopie de tous les matériaux combinant des mesures résolues spatiales et en quantité de mouvement. Cela a été le plus grand défi concernant la combinaison de la microscopie et de la spectroscopie, puisque les résolutions spatiales et de quantité de mouvement sont compensées en raison de la limite du principe d'incertitude de Heisenberg. "Nous pensons que notre méthodologie stimulera de vastes recherches en science des matériaux et poussera la spectroscopie électronique à haute résolution en microscopie électronique au niveau supérieur, à envisager comme un véritable synchrotron de table, " dit Thomas Pichler de l'Université de Vienne.