Le graphène « chaud » montre la migration des atomes de carbone


Un atome de carbone (surligné en orange) migrant vers une vacance à la du à température élevée, faisant la course contre un faisceau d’électrons à balayage (lueur vert-jaune) s’approchant de la même position. Crédits photos : Conception : Toma Susi / Uni. Vienne, conception graphique : Ella Maru Studio

La migration 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 influence sur la stabilité du matériau peut maintenant être déterminée 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 pour toute vie connue et se produit 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 des fullerènes, des nanotubes de carbone et du graphène. Le graphène en particulier a fait l’objet de recherches intensives, non seulement en raison de ses excellentes propriétés, mais aussi parce qu’il est particulièrement adapté aux expériences et à la construction de modèles. Cependant, certains processus fondamentaux n’ont pas pu être mesurés, 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 de particules telles que des atomes ou des molécules dans des gaz, des liquides ou des solides. Ce phénomène assure une répartition uniforme de l’oxygène et du sel dans l’atmosphère et les océans. Dans l’industrie technique, il est d’une importance capitale pour la production d’acier, les batteries lithium-ion et les piles à combustible, pour n’en citer que quelques-unes. En science des matériaux, la diffusion à la surface des solides explique comment certaines réactions catalytiques se produisent et combien de matériaux cristallins, y compris le graphène, sont développés.

Les vitesses de diffusion en surface dépendent généralement de la température : plus il fait , plus les atomes migrent rapidement. En principe, la mesure de cette à différentes températures peut être utilisée pour déterminer la barrière énergétique, qui décrit la facilité avec laquelle les atomes peuvent passer d’un endroit à l’autre de la surface. Cependant, cela n’est pas possible par imagerie directe s’ils ne restent pas en place assez longtemps, ce qui est le cas des atomes de carbone sur le graphène. Par conséquent, notre compréhension s’est jusqu’à présent appuyée sur des simulations informatiques. La nouvelle étude surmonte cette difficulté en mesurant indirectement son effet pendant que le matériau est chauffé sur une plaque chauffante microscopique dans un microscope électronique.

En visualisant la structure atomique du graphène avec des électrons et en éjectant occasionnellement des atomes, les chercheurs ont pu déterminer la vitesse à laquelle les atomes de carbone doivent se déplacer à la surface pour expliquer le remplissage des trous résultant à des températures élevées. En combinant la microscopie électronique, des simulations informatiques et une compréhension de la façon dont le processus d’imagerie interagit avec la diffusion, une estimation de la barrière énergétique pourrait être mesurée.

« Après une analyse minutieuse, nous avons déterminé la valeur à moins de 0,33 électron-volt, légèrement inférieure aux attentes », explique l’auteur principal Andreas Postl. L’étude est également un exemple d’heureux accident de la recherche, puisque l’objectif initial de l’équipe était de mesurer la dépendance à la température de ces dommages causés par les radiations. « Honnêtement, ce n’était pas ce que nous avions initialement prévu d’étudier, mais de telles découvertes scientifiques proviennent souvent d’une recherche persistante de petits détails inattendus », conclut l’auteur principal Toma Susi.


Suivi de la diffusion des isotopes du carbone par spectroscopie vibrationnelle au niveau atomique


Plus d’information:
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

Fourni par l’Université de Vienne

Citation: Le graphène « chaud » révèle la migration des atomes de carbone (2022, 24 juin), extrait le 24 juin 2022 de https://phys.org/news/2022-06-hot-graphene-reveals-migration-carbon.html

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