Trois images d'hydrure de titane. À gauche :champ sombre annulaire à grand angle (HAADF). Au milieu :la nouvelle technique décrite dans l'article, montrant à la fois des atomes de titane et d'hydrogène (marqués respectivement en bleu et en rouge) À droite :champ lumineux annulaire à contraste inversé Crédit :deGraaf et al, Université de Groningue
Des physiciens de l'Université de Groningue ont visualisé l'hydrogène à l'interface titane/hydrure de titane à l'aide d'un microscope électronique à transmission. Grâce à une nouvelle technique, ils ont réussi à visualiser à la fois les atomes de métal et d'hydrogène dans une seule image, leur permettant de tester différents modèles théoriques décrivant la structure de l'interface. Les résultats ont été publiés le 31 janvier dans la revue Avancées scientifiques .
Pour comprendre les propriétés des matériaux, il est souvent vital d'observer leur structure à une résolution atomique. Visualiser des atomes à l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET) est possible; cependant, jusque là, personne n'a réussi à produire des images correctes des atomes lourds et du plus léger de tous (hydrogène) ensemble. C'est exactement ce qu'ont fait Bart Kooi, professeur de matériaux nanostructurés à l'Université de Groningue et ses collègues. Ils ont utilisé un nouveau MET avec des capacités qui ont permis de produire des images d'atomes de titane et d'hydrogène à l'interface titane/hydrure de titane.
Atomes d'hydrogène
Les images résultantes montrent comment des colonnes d'atomes d'hydrogène remplissent les espaces entre les atomes de titane, déformer la structure cristalline. Ils occupent la moitié des espaces, quelque chose qui a été prédit plus tôt. "Dans les années 1980, trois modèles différents ont été proposés pour la position de l'hydrogène à l'interface métal/hydrure métallique, " dit Kooi. " Nous pouvions maintenant voir par nous-mêmes quel modèle était correct. "
Pour créer l'interface métal/hydrure métallique, Kooi et ses collègues ont commencé avec des cristaux de titane. De l'hydrogène atomique a ensuite été infusé et a pénétré le titane en quartiers très minces, formant de minuscules cristaux d'hydrure métallique. "Dans ces cales, les nombres d'atomes d'hydrogène et de titane sont les mêmes, " explique Kooi. " La pénétration de l'hydrogène crée une pression élevée à l'intérieur du cristal. Les plaques d'hydrure très minces provoquent la fragilisation par l'hydrogène des métaux, par exemple à l'intérieur des réacteurs nucléaires. » La pression à l'interface empêche l'hydrogène de s'échapper.
Une photo de la salle de contrôle du nouveau TEM par Thermo Fisher Scientific à l'Université de Groningen, avec le Prof. Dr. Bart Kooi en arrière-plan. Crédit :Université de Groningue
Nouveautés
Produire des images du titane lourd et des atomes d'hydrogène légers à l'interface était tout un défi. D'abord, l'échantillon a été chargé d'hydrogène. Il doit ensuite être visualisé dans une orientation spécifique le long de l'interface. Ceci a été réalisé en coupant des cristaux de titane correctement alignés à l'aide d'un faisceau d'ions et en rendant les échantillons plus minces - jusqu'à une épaisseur ne dépassant pas 50 nm - à nouveau en utilisant un faisceau d'ions.
La visualisation des atomes de titane et d'hydrogène a été rendue possible par plusieurs innovations incluses dans le MET. Les atomes lourds peuvent être visualisés par la diffusion qu'ils provoquent des électrons dans le faisceau du microscope. Les électrons diffusés sont de préférence détectés à l'aide de détecteurs à grand angle. "L'hydrogène est trop léger pour provoquer cette diffusion, donc pour ces atomes, nous devons nous appuyer sur la construction de l'image à partir de la diffusion aux petits angles, qui inclut les ondes électroniques." Cependant, le matériau provoque des interférences de ces ondes, ce qui a jusqu'à présent rendu l'identification des atomes d'hydrogène presque impossible.
Simulations informatiques
Les ondes sont détectées par un détecteur de champ clair à faible angle. Le nouveau microscope est doté d'un détecteur circulaire à fond clair divisé en quatre segments. En analysant les différences dans les fronts d'onde détectés dans les segments opposés et en examinant les changements qui se produisent lorsque le faisceau de balayage traverse le matériau, il est possible de filtrer les interférences et de visualiser les atomes d'hydrogène très légers.
« La première exigence est d'avoir un microscope capable de balayer avec un faisceau d'électrons inférieur à la distance entre les atomes. C'est ensuite la combinaison du détecteur de fond clair segmenté et du logiciel d'analyse qui permet la visualisation, " explique Kooi, qui a travaillé en étroite collaboration avec les scientifiques du fabricant du microscope, Thermo Fisher Scientific, dont deux sont co-auteurs de l'article. Le groupe de Kooi a ajouté divers filtres de bruit au logiciel et les a testés. Ils ont également effectué des simulations informatiques approfondies, contre lesquels ils ont comparé les images expérimentales.
Nanomatériaux
L'étude montre l'interaction entre l'hydrogène et le métal, ce qui est une connaissance utile pour l'étude des matériaux capables de stocker l'hydrogène. "Les hydrures métalliques peuvent stocker plus d'hydrogène par volume que l'hydrogène liquide." Par ailleurs, les techniques utilisées pour visualiser l'hydrogène pourraient également être appliquées à d'autres atomes légers, comme l'oxygène, l'azote ou le bore, qui sont importants dans de nombreux nanomatériaux. "Être capable de voir des atomes légers à côté d'atomes lourds ouvre toutes sortes d'opportunités."
