Les chercheurs de Vanderbilt Sokrates Pantelides et Joshua Caldwell font partie d'une collaboration internationale qui a démontré une nouvelle façon de manipuler et de mesurer les vibrations atomiques subtiles dans les nanomatériaux. Cette percée pourrait permettre de développer des fonctionnalités personnalisées pour améliorer et construire de nouvelles technologies.

Des faisceaux d'électrons dans de puissants microscopes ont sondé des matériaux et des nanostructures avec une résolution à l'échelle atomique, imagé les arrangements atomiques et, en combinaison avec la théorie, dévoilé des propriétés électroniques et magnétiques. Les développements récents de la microscopie permettent d'obtenir des signaux directs des phonons, à savoir les modes vibrationnels, avec une haute résolution à la fois dans l'espace et dans l'énergie. Les chercheurs peuvent désormais mesurer des modes vibrationnels distincts aux interfaces dans des structures multicouches, des défauts et d'autres inhomogénéités.

"Notre équipe a combiné ces mesures avec des sondes laser et des investigations théoriques pour obtenir une image complète de la physique sous-jacente qui formera finalement la base des nouvelles technologies", a déclaré Pantelides.

Dans cette recherche, publiée dans la revue Nature le 26 janvier, l'équipe a superposé deux oxydes différents dans une nanostructure de type Lego appelée un super-réseau. Les structures ont été imagées à l'échelle atomique par Eric Hoglund, premier auteur de l'article et chercheur à l'Université de Virginie. Jordan A. Hachtel, ancien élève de Pantelides et expert microscopiste au Center for Nanophase Materials Sciences du Oak Ridge National Laboratory, a effectué les mesures de précision des modes vibrationnels de ces super-réseaux complexes.

Caldwell, membre de la faculté du chancelier de la famille Flowers en ingénierie et professeur agrégé de génie mécanique, et son étudiant Joseph Matson ont effectué des spectroscopies infrarouges complémentaires des modes vibrationnels. Pantelides, professeur émérite universitaire de physique et d'ingénierie, William A. et Nancy F. McMinn professeur de physique et professeur de génie électrique, et les membres de son groupe Andrew O'Hara et De-Liang Bao, professeur adjoint de recherche et chercheur postdoctoral, respectivement, ont effectué les calculs théoriques qui ont fourni des liens entre diverses expériences pour construire une image complète. La recherche combinée a établi qu'à mesure que l'épaisseur des couches dans les super-réseaux rétrécit, les vibrations atomiques sont initialement dominées par celles des deux matériaux en vrac, mais évoluent progressivement pour être dominées par les interfaces atomiques, qui définissent une nouvelle structure cristalline.

Des combinaisons antérieures de calculs théoriques utilisant la mécanique quantique avec des expériences physiques ont permis aux physiciens et aux ingénieurs de comprendre le comportement des matériaux. Ces recherches ont abouti à la création et au développement des appareils numériques que nous tenons aujourd'hui pour acquis. Les microscopes électroniques ont joué un rôle majeur dans ces recherches, mais jusqu'à récemment, ils n'avaient pas une résolution suffisante pour imager les vibrations atomiques.

"Des propriétés émergentes résultent à l'échelle nanométrique, en particulier lorsque nous assemblons des matériaux. De ces combinaisons, nous obtenons de nouveaux comportements auxquels nous ne nous attendions pas", a déclaré Pantelides. "Chaque fois qu'il y a une structure avec de nouvelles propriétés, l'esprit d'ingénierie va directement à la réflexion sur les nouveaux matériaux avec de nouvelles fonctionnalités et de nouveaux appareils qui peuvent être fabriqués. En termes simples, c'est ainsi que la technologie est créée."

Caldwell et Matson ont étudié les propriétés infrarouges des super-réseaux à l'échelle atomique. "Les propriétés infrarouges des cristaux polaires sont principalement déterminées par les phonons optiques des matériaux. Ainsi, ce travail s'appuie sur un concept que nous appelons l'hybride cristallin, où des combinaisons de matériaux atomiquement minces dans des super-réseaux peuvent être utilisées pour induire des propriétés émergentes, ", a déclaré Caldwell. Cet effort a été considérablement renforcé en démontrant que l'échelle de ces mesures peut être réduite pour mesurer le comportement le plus précis capturé à ce jour.

Ce travail a le potentiel d'améliorer les connaissances dans les domaines de la microscopie, de la science optique, de la physique et de l'ingénierie. "Nous avons atteint un changement radical dans cette technologie. En améliorant la façon dont nous mesurons, nous sommes en mesure de mieux travailler et manipuler ces nanomatériaux. Nous sommes beaucoup plus confiants que nous pouvons concevoir des structures avec des propriétés personnalisées", a déclaré Pantelides.

Pantelides et Caldwell poursuivront leur collaboration avec le laboratoire national d'Oak Ridge pour poursuivre d'autres avancées dans le domaine, en particulier en s'étendant à différentes structures cristallines et à d'autres systèmes de matériaux d'intérêt tels que les semi-conducteurs à base de nitrure.

Des chercheurs de l'Université de Virginie, du Sandia National Laboratory, de l'Université de Californie à Berkeley, de l'Université Purdue, de l'Université Humboldt et du Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik en Allemagne ont participé à cette recherche. + Explorer plus loin

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