Des chercheurs de l’ETH Zurich ont développé une nouvelle technique pour étudier les surfaces, un domaine crucial mais complexe de la science des matériaux. Cette méthode, basée sur l’utilisation d’une membrane d’or ultrafine, promet de révolutionner la caractérisation des surfaces dans de nombreux domaines technologiques.
Une équipe interdisciplinaire de scientifiques des matériaux et d’ingénieurs électriciens, dirigée par le professeur Lukas Novotny de l’ETH Zurich, des collègues de l’Université Humboldt de Berlin, a développé une méthode qui simplifie considérablement la caractérisation de surfaceLes résultats de leurs recherches, basées sur l’utilisation d’une membrane d’or extrêmement fine, ont été publiés dans la revue scientifique Nature Communications.
Roman Wyss, ancien doctorant en science des matériaux et premier auteur de l’article, souligne l’importance des surfaces : «Qu’il s’agisse de catalyseurs, de cellules solaires ou de batteries, les surfaces sont toujours extrêmement importantes pour leur fonctionnalité.».
En effet, des processus importants se déroulent généralement aux interfaces. Pour les catalyseurs, il s’agit des réactions chimiques accélérées à leur surface. Dans les batteries, les propriétés de surface des électrodes sont cruciales pour leur efficacité et leur comportement à la dégradation.
Pendant de nombreuses années, le Spectroscopie Raman est utilisé pour examiner les propriétés des matériaux de manière non destructive. Cependant, son application aux surfaces présente des limites importantes. Sebastian Heeg, qui a contribué aux expériences en tant que postdoctorant dans le groupe de Lukas Novotny, explique : «La lumière laser pénètre le matériau de plusieurs micromètres, de sorte que le spectre de fréquence est principalement affecté par le volume du matériau et seulement dans une très faible mesure par sa surface, qui ne se compose que de quelques couches atomiques.».
Pour exploiter la spectroscopie Raman également pour les surfaces, les chercheurs de l’ETH Zurich ont développé une membrane spéciale en or d’une épaisseur de seulement 20 nanomètres, contenant des pores allongés d’environ 100 nanomètres. Lorsque cette membrane est transférée sur une surface à étudier, deux phénomènes se produisent : d’une part, la membrane empêche le faisceau laser de pénétrer dans le volume du matériau. D’autre part, aux endroits des pores, la lumière laser est concentrée et réémise à quelques nanomètres seulement dans la surface.
Sebastian Heeg ajoute : «Les pores agissent comme des antennes plasmoniques, similaires à l’antenne d’un téléphone portable« L’antenne amplifie le signal Raman de la surface jusqu’à mille fois par rapport au signal de la spectroscopie Raman classique sans membrane. Cette amplification a été démontrée sur plusieurs matériaux, dont le silicium contraint et l’oxyde de nickel-lanthane (LaNiO3), un cristal de perovskite.
Le silicium contraint, qui est important pour les applications dans les technologies quantiques, ne pouvait auparavant pas être sondé par spectroscopie Raman en raison du bruit de fond de mesure. Après l’application de la membrane en or, le signal de contrainte a été amplifié sélectivement au point qu’il peut être clairement distingué des autres signaux Raman du matériau.
Mads Weber, ancien chercheur postdoctoral à l’ETH Zurich et aujourd’hui professeur assistant à l’Université du Mans, souligne l’importance de cette méthode pour l’étude des pérovskites métalliques telles que l’oxyde de lanthane et de nickel. Grâce à la nouvelle méthode de la membrane d’or, les chercheurs ont pu accéder pour la première fois à la structure de surface de ce matériau.
Sebastian Heeg souligne l’aspect durable de cette démarche : «Notre approche est également intéressante du point de vue de la durabilité, car les équipements Raman existants peuvent acquérir des capacités complètement nouvelles sans trop d’efforts.».
À l’avenir, les chercheurs espèrent améliorer encore leur méthode et l’adapter aux besoins des utilisateurs. Par exemple, en produisant une membrane en or avec des pores de taille égale et alignés en parallèle, la méthode pourrait être optimisée pour des matériaux spécifiques, ce qui améliorerait encore la puissance du signal Raman d’un facteur cent.
Légende : Les pores de la membrane en or développée par les chercheurs de l’ETH Zurich amplifient le faisceau laser en spectroscopie Raman, lui permettant de pénétrer uniquement la surface (gris clair) mais pas la majeure partie du matériau (gris foncé). (Illustration : Scixel)
Wyss RM, Kewes G, Marabotti P et al. Diffusion Raman à suppression de masse et sensible à la surface par des membranes plasmoniques transférables avec des nanopores en forme de fente irrégulière. Nature Communications 15, 5236 (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-49130-2
