Illustration schématique d'une sonde STEM balayant l'interface de deux composés de nickel, la nature des électrons diffusés change à mesure que la phase électronique du matériau passe de métallique à isolante. Crédit image :Duncan T.L. Alexandre. Modèle de structure atomique rendu à l'aide de VESTA. Crédit :Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
Les transitions de phase sont un phénomène central en sciences physiques. En dépit d'être technique, ils sont en fait quelque chose que nous vivons tous dans la vie de tous les jours :la glace fond en eau liquide, ou de l'eau chaude s'évaporant sous forme de vapeur. Solide, liquide, et le gaz sont trois "phases" bien connues et, quand l'un se transforme en un autre, c'est une transition de phase.
Oxydes de nickelate de terres rares, aussi appelés nickelates, ont suscité beaucoup d'intérêt de la part des chercheurs car ils présentent une transition de phase électronique, qui pourraient être exploités dans les futurs appareils électroniques. Cette transition de phase particulière consiste à passer d'un état métallique qui conduit l'électricité à un état électriquement isolant lorsque la température baisse.
Derrière ce comportement se cache une forte interaction entre les propriétés électroniques de ces composés et leur structure en « réseau », l'arrangement bien ordonné des atomes qui forme un cristal. Cependant, découvrir la vraie nature de cette transition de phase métal-isolant dans les nickelates, et être capable de le contrôler pour les appareils électroniques potentiels, nécessite de savoir comment chaque phase caractéristique émerge et évolue au cours de la transition.
Maintenant, des scientifiques de l'EPFL et de l'Université de Genève ont combiné deux techniques de pointe pour réaliser une cartographie à l'échelle nanométrique de chaque phase électronique distincte. Publié dans la revue Lettres nano , l'étude a été dirigée par le Dr Duncan Alexander de la Faculté des sciences fondamentales de l'EPFL et le groupe du professeur Jean-Marc Triscone à l'Université de Genève.
Le premier auteur de l'étude, Dr Bernat Mundet, dit : « Pour bien comprendre la physique affichée par les nouveaux matériaux électroniques et les contrôler dans les appareils, de nouvelles techniques de caractérisation à l'échelle atomique sont nécessaires. À cet égard, nous avons été capables pour la première fois de déterminer avec précision les régions métalliques et isolantes de dispositifs de conception atomique fabriqués à partir de deux composés de nickel avec une résolution proche de l'atome. Nous pensons que notre méthodologie aidera à mieux comprendre la physique de cette importante famille de matériaux électroniques."
Image STEM à résolution atomique montrant la structure cristalline parfaite d'un film mince de nickelate, coloré pour représenter les deux composés. Crédit :Bernat Mundet
Les chercheurs ont combiné la microscopie électronique à transmission à balayage à correction d'aberration (STEM) avec la spectroscopie de perte d'énergie des électrons monochromatiques (EELS).
En STIM, les images sont formées en balayant un faisceau d'électrons, focalisé sur un point d'environ 1 ngstroms, à travers un échantillon suffisamment mince - dans ce cas un éclat de nickelate - et la collecte des électrons transmis et diffusés à l'aide de détecteurs annulaires. Bien que techniquement exigeant, cette technique permet aux chercheurs de visualiser avec précision la structure réticulaire d'un cristal, ligne atomique par ligne atomique.
Pour la deuxième technique, anguilles, les électrons passant par le trou central du détecteur annulaire sont à la place collectés. Certains de ces électrons ont déjà perdu de l'énergie en raison de leur interaction avec les atomes de Ni du cristal de nickelate. En mesurant comment cette différence d'énergie change, on peut déterminer l'état métallique ou isolant du composé nickelé.
Comme tous les électrons sont diffusés et collectés simultanément, les chercheurs ont pu corréler les changements d'état électronique avec les positions de réseau associées dans les différents composés de nickelate. Cette approche leur a permis de cartographier, pour la première fois, la configuration spatiale de leurs régions métalliques ou isolantes, atteignant une très haute résolution spatiale d'environ 3,5 Ångstroms (0,35 nanomètre). La technique sera un outil précieux pour étudier et guider l'ingénierie atomique de ces nouveaux matériaux électroniques.
"Les derniers microscopes électroniques nous donnent une capacité étonnante à mesurer une variété de propriétés physiques de matériaux avec une résolution spatiale atomique ou nanométrique, " dit Duncan Alexander. " Ici, en repoussant les limites des capacités du microscope Titan Themis de l'EPFL, nous faisons un pas en avant passionnant dans ce domaine, en prouvant que nous pouvons mesurer les changements d'état électronique à travers une structure en couche mince fabriquée avec précision à partir de deux nickelates différents. Notre approche ouvre de nouvelles pistes pour étudier la physique de ces composés nickelés, qui ont suscité un intérêt pour la recherche dans le monde entier."
"La combinaison de matériaux artificiels étonnants qui présentent une transition métal-isolant et d'une microscopie électronique très avancée a permis des études détaillées sans précédent de leurs propriétés électroniques, " ajoute Jean-Marc Triscone. "En particulier, il a révélé, à l'échelle atomique, si le matériau est conducteur ou isolant - une question importante pour mieux comprendre ces matériaux qui peuvent être utilisés dans les futures approches informatiques. »
