Des physiciens résolvent le casse-tête de la formation de quasi-cristaux bidimensionnels à partir d’oxydes métalliques

La structure bidimensionnelle de l’oxyde de titane se désagrège à haute température lorsqu’on y ajoute du baryum ; Au lieu d’hexagones réguliers, les anneaux sont constitués de quatre, sept et dix atomes dans un arrangement non périodique.

Une équipe de l’Université Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) a fait cette découverte en collaboration avec des chercheurs du Max Planck Institute (MPI) for Fine Structure Physics, de l’Université de Grenoble Alpes et du National Institute of Standards and Technology (Gaithersburg, US) , résolvant ainsi le mystère de la formation bidimensionnelle des quasi-cristaux d’oxydes. Leurs conclusions ont été publiées dans Communication Nature.

Les hexamères sont fréquemment trouvés dans la nature. L’exemple le plus connu est le nid d’abeille, mais le graphène ou les oxydes de divers métaux, comme le titane oxyde, ainsi que la formation de cette structure. « Les hexagones sont un modèle parfait pour les arrangements périodiques », explique le Dr Stefan Vorster, chercheur au sein du groupe de physique des surfaces et des interfaces à l’Institut de physique MLU. « Ils s’emboîtent si parfaitement qu’il n’y a pas de lacunes. »

En 2013, ce groupe a fait une découverte surprenante en déposant une couche ultra-mince contenant de l’oxyde de titane et du baryum sur une couche de platine et en la chauffant à environ 1 000 degrés Celsius dans super vide. Les atomes se sont disposés en triangles, carrés et losanges regroupés en formes symétriques plus grandes avec douze arêtes. Construction 12 fois une symétrie de rotation généré, plutôt que la périodicité attendue de 6 fois.

Selon Förster, « les quasi-cristaux sont créés avec une structure acyclique. Cette structure est constituée de groupes atomiques de base hautement ordonnés, même s’il est difficile pour l’observateur de discerner les systèmes réguliers derrière cet arrangement. » Les physiciens de Halle ont été les premiers à démontrer globalement la formation de cristaux bidimensionnels dans les oxydes métalliques.

Les mécanismes derrière la formation de tels cristaux sont restés un mystère depuis leur découverte. Les physiciens de MLU ont maintenant résolu ce mystère en collaboration avec des chercheurs de l’Institut Max Planck de physique des structures fines à Hull, de l’Université de Grenoble Alpes et de l’Institut national des normes et de la technologie (Gaithersberg, États-Unis).

À l’aide d’expériences élaborées, de calculs énergétiques et d’une microscopie à haute résolution, ils ont montré que des températures élevées et la présence de baryum créent un réseau d’anneaux de titane et d’oxygène avec respectivement quatre, sept et dix atomes. « Le baryum brise et stabilise les anneaux atomiques », explique Forster, qui dirige la joint-venture.

« Un atome de baryum intégré dans un anneau de sept, deux dans un anneau de dix. » Ceci est possible car les atomes de baryum interagissent électrostatiquement avec le support de platine, mais ils ne forment pas un liaison chimique Avec des atomes de titane ou d’oxygène.

Avec leur dernière découverte, les chercheurs ont fait plus que clarifier une question fondamentale en physique. « Maintenant que nous avons une meilleure compréhension des mécanismes de leur formation niveau atomiquenous pouvons tenter de fabriquer de tels cristaux 2D à la demande dans d’autres matériaux liés à l’application tels que oxydes métalliques Ou du graphène », explique Forster. Nous sommes ravis de voir si cet arrangement particulier produira des propriétés entièrement nouvelles et utiles.  »