La migration des atomes de carbone à la surface du nanomatériau graphène a récemment été mesurée pour la première fois. Bien que les atomes se déplacent trop rapidement pour être observés directement au microscope électronique, leur effet sur la stabilité du matériau peut maintenant être déterminé indirectement pendant que le matériau est chauffé sur une plaque chauffante microscopique. L’étude menée par des chercheurs de la Faculté de physique de l’Université de Vienne a été publiée dans la revue Carbone.
Le carbone est un élément essentiel à toute vie connue et existe dans la nature principalement sous forme de graphite ou de diamant. Au cours des dernières décennies, les scientifiques des matériaux ont créé de nombreuses nouvelles formes de carbone, notamment les fullerènes, les nanotubes de carbone et le graphène. Le graphène en particulier a fait l’objet de recherches intensives, non seulement en raison de ses propriétés exceptionnelles, mais aussi parce qu’il se prête particulièrement bien aux expériences et à la modélisation. Cependant, il n’a pas été possible de mesurer certains processus fondamentaux, notamment le mouvement des atomes de carbone à sa surface. Cette migration aléatoire est à l’origine atomique du phénomène de diffusion.
La diffusion fait référence au mouvement naturel des particules telles que les atomes ou les molécules dans les gaz, les liquides ou les solides. Dans l’atmosphère et les océans, ce phénomène assure une répartition homogène de l’oxygène et du sel. Dans les industries techniques, il est d’une importance capitale pour la production d’acier, les batteries lithium-ion et les piles à combustible, pour ne citer que quelques exemples. En science des matériaux, la diffusion à la surface des solides explique le déroulement de certaines réactions catalytiques et la croissance de nombreux matériaux cristallins, dont le graphène.
Les vitesses de diffusion en surface dépendent généralement de la température : plus il fait chaud, plus les atomes migrent rapidement. En principe, en mesurant cette vitesse à différentes températures, on peut déterminer la barrière énergétique qui décrit la facilité avec laquelle les atomes passent d’un site à l’autre de la surface. Cependant, cela est impossible par imagerie directe s’ils ne restent pas en place assez longtemps, ce qui est le cas des atomes de carbone sur le graphène. Ainsi, jusqu’à présent, notre compréhension reposait sur des simulations informatiques. La nouvelle étude surmonte cette difficulté en mesurant indirectement leur effet tout en chauffant le matériau sur une plaque chauffante microscopique à l’intérieur d’un microscope électronique.
En visualisant la structure atomique du graphène avec des électrons tout en expulsant occasionnellement des atomes, les chercheurs ont pu déterminer à quelle vitesse les atomes de carbone à la surface doivent se déplacer pour expliquer le remplissage des trous résultants à des températures élevées. En combinant la microscopie électronique, des simulations informatiques et une compréhension de l’interaction du processus d’imagerie avec la diffusion, une estimation de la barrière d’énergie pourrait être mesurée.
« Après une analyse minutieuse, nous avons identifié la valeur à 0,33 électronvolt, un peu plus faible que prévu », déclare l’auteur principal Andreas Postl. L’étude est également un exemple de sérendipité dans la recherche, car l’objectif initial de l’équipe était de mesurer la dépendance à la température de ces dommages d’irradiation. « Honnêtement, ce n’était pas ce que nous avions initialement prévu d’étudier, mais de telles découvertes scientifiques se produisent souvent en poursuivant constamment des détails petits mais inattendus », conclut l’auteur principal Toma Susi.
Andreas Postl et al, Mesure indirecte de la barrière de migration des adatomes de carbone sur le graphène, Carbone (2022). DOI : 10.1016/j.carbon.2022.05.039