Dans une étude publiée en ligne dans Advanced Materials , les premiers auteurs Boyang Zhao, étudiant diplômé de l'USC en science des matériaux travaillant avec Ravichandran, et Guodong Ren, étudiant diplômé travaillant avec Mishra à l'Institut de science et d'ingénierie des matériaux de WashU, décrivent une nouvelle voie pour obtenir de nouvelles propriétés optiques et électroniques à partir d'un désordre structurel. .

Ils ont découvert que de minuscules déplacements de quelques picomètres, soit 100 000 fois plus petits que l'épaisseur d'une feuille de papier, dans la structure atomique d'un cristal pouvaient avoir un impact minime sur les propriétés optiques dans une direction, mais produire des améliorations fonctionnelles géantes lorsqu'on les regardait dans une autre direction. angle.

Dans ce cas, l'indice de réfraction du matériau, ou la quantité de lumière qui se courbe ou s'écarte de son trajet d'origine lorsqu'elle le traverse, a radicalement changé avec le désordre atomique.

De telles améliorations fonctionnelles pourraient avoir des applications pratiques en imagerie, en télédétection et même en médecine. En contrôlant le degré de désordre atomique pour obtenir les propriétés optiques souhaitées, les chercheurs prévoient de développer des cristaux permettant une imagerie infrarouge avancée dans des conditions de faible luminosité, par exemple en améliorant les performances des véhicules autonomes conduisant la nuit ou des appareils d'imagerie médicale.

"Nous travaillons sur des matériaux semi-conducteurs depuis des années, en descendant progressivement dans le tableau périodique, à la recherche de matériaux qui se comportent bien mais qui font également des choses intéressantes ou inattendues", a déclaré Ravichandran, titulaire de la chaire de début de carrière Philip et Cayley MacDonald et professeur agrégé à l'École d'ingénierie de Viterbi à l'USC.

"Lorsque nous avons commencé à chercher des moyens d'obtenir plus de possibilités de réglage, pour fabriquer des matériaux parfaitement adaptés à des applications spécifiques, nous avons constaté que les propriétés variaient considérablement lorsqu'elles étaient mesurées dans différentes directions."

Lorsque des matériaux ont des propriétés ou un comportement différents lorsqu'ils sont mesurés ou observés dans différentes directions, on parle d'anisotropie. Les matériaux anisotropes ont des caractéristiques différentes selon la façon dont vous les regardez, ce qui peut avoir un impact énorme sur des caractéristiques telles que la transmission de la lumière, le comportement mécanique et d'autres propriétés physiques ou électriques essentielles au fonctionnement des appareils quotidiens comme les appareils photo.

Le matériau étudié par l'équipe, le sulfure de baryum et de titane (BaTiS₃ ), un cristal hexagonal, était déjà connu pour avoir une grande anisotropie optique, mais les scientifiques ne parvenaient pas à comprendre pourquoi. Il a fallu des années de collaboration entre les équipes de WashU, de l'USC et de divers laboratoires nationaux, mais l'équipe a finalement réussi à résoudre l'affaire.

"Nous constations de grands écarts entre la théorie et l'expérience :éclairer le matériau sous différents angles faisait une énorme différence dans les propriétés optiques pour des raisons qui n'étaient pas claires", a déclaré Mishra, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à l'université. École d'ingénierie McKelvey à WashU.

"La clé s'est avérée être des instabilités structurelles qui entraînent le déplacement désordonné de certains atomes, dans ce cas les atomes de Ti, de positions plus symétriques. De petits déplacements anisotropes sont apparus dans des expériences synchrotron à haute résolution, alors nous avons su regardez de plus près la structure atomique à l'aide d'un microscope électronique. "

"Les déplacements à l'échelle du picomètre sont si minimes que vous ne les trouverez que si vous les recherchez spécifiquement", a ajouté Ravichandran.

Ce niveau de détail n'est généralement pas nécessaire, même pour la recherche de pointe en science des matériaux, car la lumière vibre si rapidement qu'elle atténue les imperfections locales d'un matériau. Pas cette fois.

Ren et Zhao ont dû examiner chaque hypothèse et chaque élément de théorie pour trouver comment expliquer le décalage entre la théorie et l'expérience, ont déclaré Mishra et Ravichandran, soulignant que la résolution de ce mystère n'était possible que grâce à la collaboration.

En utilisant une combinaison de techniques avancées, notamment la diffraction des rayons X sur monocristal, la résonance magnétique nucléaire à l'état solide et la microscopie électronique à transmission par balayage, les chercheurs ont trouvé des preuves de déplacements atomiques anisotropes des atomes de titane dans BaTiS₃ . Ces déplacements incroyablement minuscules, à l'échelle picométrique, se produisent dans des amas locaux au sein du matériau, mais ils exercent pourtant une profonde influence sur les propriétés optiques globales.

"L'essentiel est que de minuscules déplacements peuvent avoir des effets géants", a déclaré Mishra. "Nous explorons toujours comment des facteurs tels que la température pourraient modifier les propriétés optiques de ce matériau, mais avec cette étude, nous avons développé une compréhension approfondie de la relation entre le désordre structurel et la réponse optique. Cela nous aidera à mesure que nous continuons à découvrir de nouveaux matériaux et fonctionnalités. "