"C’est le diable qui a fait la surface" - cette phrase est attribuée au physicien théorique Wolfang Pauli, qui a enseigné de nombreuses années à l’EPF de Zurich et a reçu le prix Nobel en 1945 pour ses travaux sur la mécanique quantique. En effet, les chercheurs ont beaucoup de mal avec les surfaces. D’une part, elles sont très importantes dans la nature vivante et inanimée, mais d’autre part, il est parfois diaboliquement difficile de les étudier avec les méthodes de détection traditionnelles.
Aujourd’hui, une équipe interdisciplinaire de scientifiques des matériaux et d’ingénieurs électriciens autour de Lukas Novotny, professeur de photonique à l’ETH Zurich, a développé avec des collègues de l’université Humboldt de Berlin un procédé qui facilitera considérablement la caractérisation des surfaces à l’avenir. Ils ont récemment publié les résultats de leurs travaux, basés sur l’utilisation d’une membrane d’or très fine, dans la revue scientifique Nature Communications.
Les surfaces sont importantes pour la fonctionnalité
"Qu’il s’agisse de catalyseurs, de cellules solaires ou de batteries, les surfaces sont toujours extrêmement pertinentes pour leur fonctionnalité", explique Roman Wyss, ancien doctorant en sciences des matériaux et premier auteur de l’étude, qui fait désormais de la recherche au sein de la start-up Enantios de l’ETH. Cette pertinence vient du fait que les processus importants se déroulent généralement aux interfaces. Pour les catalyseurs, il s’agit des réactions chimiques qui sont accélérées à leur surface. Pour les batteries, les propriétés de surface des électrodes sont déterminantes pour leur efficacité et leur comportement à long terme.Pour étudier les propriétés des matériaux de manière non destructive - c’est-à-dire sans endommager le matériau - les chercheurs utilisent depuis de nombreuses années la spectroscopie Raman. Un faisceau laser est dirigé sur le matériau et la lumière réfléchie est analysée. Les propriétés de la lumière réfléchie, dont le spectre de fréquence a été modifié par les vibrations des molécules dans le matériau, permettent de tirer des conclusions sur la nature chimique de l’objet examiné - on parle d’une empreinte digitale chimique - et de mettre en évidence des effets mécaniques tels que des tensions.
Membrane d’or avec de minuscules pores
"C’est une méthode très puissante, mais dont l’application aux surfaces est limitée", explique Sebastian Heeg, qui a participé aux expériences en tant que post-doctorant auprès de Lukas Novotny et qui dirige désormais un groupe de jeunes chercheurs à l’université Humboldt. Comme la lumière laser pénètre de quelques micromètres dans le matériau lors de la spectroscopie Raman, le spectre de fréquence est principalement influencé par l’intérieur du matériau et seulement dans une très faible mesure par la surface, épaisse de quelques couches atomiques.
Un signal amplifié des milliers de fois
"Les pores agissent comme ce que l’on appelle des antennes plasmoniques - tout à fait comme l’antenne d’un téléphone portable", explique Heeg. L’effet d’antenne amplifie jusqu’à mille fois le signal Raman de la surface du matériau par rapport au signal de la spectroscopie Raman traditionnelle sans membrane. Heeg et ses collègues ont pu le démontrer de manière impressionnante, entre autres, sur du silicium sous contrainte et sur un cristal de pérovskite, l’oxyde de lanthane et de nickel (LaNiO3).Le silicium sous contrainte est important pour les applications dans les technologies quantiques, mais jusqu’à présent, la contrainte ne pouvait pas être étudiée par spectroscopie Raman, car le signal généré par la surface était noyé dans le bruit de fond de la mesure. Après l’application de la membrane d’or, le signal de contrainte a été sélectivement augmenté jusqu’à ce qu’il soit clairement distingué des autres signaux Raman du matériau.
La pérovskite métallique oxyde de lanthane et de nickel est quant à elle un matériau important pour la fabrication d’électrodes. "Le fort couplage entre sa structure cristalline et la conductivité électrique permet de contrôler la conductivité en modifiant l’épaisseur de l’électrode à l’échelle nanométrique. On pense que la structure de surface joue un rôle essentiel dans ce processus", explique Mads Weber, ancien postdoctorant à l’ETH Zurich et désormais professeur assistant à l’Université du Mans, qui étudie cette catégorie de matériaux et a également participé à l’étude. Grâce à la nouvelle méthode de la membrane d’or, les chercheurs ont pu, pour la première fois, avoir un aperçu de la structure de surface de l’oxyde de lanthane et de nickel.
"Notre approche est également intéressante du point de vue de la durabilité, car elle permet de doter des appareils Raman déjà existants de toutes nouvelles capacités sans grand effort", explique Heeg. A l’avenir, les chercheurs veulent encore améliorer leur méthode et l’adapter aux besoins des utilisateurs. Par exemple, les pores de la membrane d’or sont actuellement de tailles différentes et disposés de manière irrégulière. En fabriquant des membranes avec des pores de même taille disposés en parallèle, la méthode pourrait être optimisée pour certains matériaux, ce qui permettrait de multiplier par cent l’intensité du signal Raman.
