La physique

Lorsque l’eau gèle, la glace se forme d’abord sous forme de « noyaux » – de minuscules cristaux de graines qui peuvent croître ou rétrécir et survivre seulement s’ils atteignent une taille minimale – du moins selon la théorie des manuels. Les chercheurs ont maintenant montré que cette compréhension s'applique également à une transition de phase plus complexe dans le dioxyde de vanadium (VO2), un matériau dont les propriétés électriques et la structure cristalline changent toutes deux lors de sa transition de phase dite métal-isolant [1]. L’équipe a mesuré la taille seuil des « graines » qui conduisent cette transition et a démontré une nouvelle technique pour étudier les transitions de structure cristalline. Le résultat suggère que la théorie classique de la nucléation est valable pour une gamme de matériaux importants dans des domaines tels que la catalyse, les lasers et la fabrication d'alliages et de céramiques.

Placez un seau d’eau purifiée dans un environnement à température inférieure à zéro et de minuscules graines de glace commenceront à se former. Beaucoup se dissolvent rapidement, mais ceux qui dépassent un certain seuil grandissent et finissent par fusionner pour former un seul bloc de glace. Cette vision de la cristallisation, associée à la théorie classique de la nucléation, a été bien acceptée pour la transition eau-glace. Junqiao Wu de l'Université de Californie à Berkeley et ses collègues ont voulu tester si le même phénomène de nucléation est en jeu dans VO2 lorsqu'il passe d'une structure cristalline à une autre.

Le VO2 est utilisé dans les revêtements de surface, les capteurs et les systèmes d'imagerie. Au-dessus de 340 K, le matériau est un métal, c'est-à-dire qu'il est un bon conducteur électrique. A température ambiante, il devient isolant (non conducteur). Cette transition métal-isolant (MIT) s'accompagne d'une modification de la structure cristalline du matériau et présente quelques bizarreries qui rappellent la transition eau-glace. Par exemple, si le matériau est suffisamment pur, le VO2 peut être « surfondu » et rester métallique à des températures où il est normalement isolant. L'eau peut également être surfondue en dessous de son point de congélation.

Les chercheurs ont déjà vu des indices selon lesquels le VO2 et des matériaux similaires nucléent les transitions de phase de la même manière que l'eau, mais ils n'avaient aucune preuve directe. Pour explorer cette possibilité, Wu et ses collègues ont développé une méthode permettant de placer des « germes de nucléation » – de minuscules régions capables de nucléer des transitions de phase – dans le métal et de contrôler le processus de nucléation.

Tout d’abord, les chercheurs ont fabriqué une série de fils VO2 métalliques purs, monocristallins, avec des sections transversales d’environ 100 × 250 nanomètres carrés (nm2) et des longueurs d’environ 50 micromètres. Pour chaque expérience, ils ont suspendu l’un des fils à travers une paire de crêtes d’électrodes parallèles, de sorte que le fil ne soit soutenu qu’à ses extrémités. L’équipe a ensuite irradié les extrémités du fil avec des ions d’hélium. Cette irradiation a endommagé les extrémités de manière à empêcher le contact avec les électrodes de déclencher une nucléation indésirable, créant ainsi « un lit de semence idéal pour planter et faire pousser des graines [de nucléation] », explique Wu. Ils ont également irradié une série de bandes sur le fil pour créer huit segments « blindés » distincts. L’équipe a utilisé un faisceau d’ions gallium focalisé pour déformer la structure cristalline et créer une graine de nucléation dans chaque segment. Les graines avaient un diamètre compris entre 10 nm et 180 nm, et l'équipe a surveillé leurs effets sur la transition de phase du fil avec un microscope optique.

Alors que les chercheurs refroidissaient le fil en dessous de la température normale de transition de phase de VO2, chaque graine a finalement déclenché une transition de phase dans son segment : plus la graine est petite, plus la température de transition est basse. L’équipe a découvert qu’une taille minimale de graine de plusieurs dizaines de nanomètres était requise pour que le MIT ait lieu (la valeur précise dépendant des détails de la création de la graine). Tous les résultats concordaient avec les prédictions de la théorie classique de la nucléation.

Wu dit que les résultats indiquent que le MIT de VO2 est axé sur la nucléation et que les chercheurs pourraient être en mesure d'utiliser des matériaux mieux étudiés pour mieux comprendre le MIT. « Il y a quelque chose d’universel qui régit ces phénomènes », dit-il. Il pense également que les résultats ouvrent la voie à la conception de matériaux avec des transitions de phase bien contrôlées qui pourraient améliorer l'utilisation du VO2 dans les applications ainsi que dans les études de recherche fondamentale. "Le VO2 profondément surfondu que nous avons démontré constitue un banc d'essai idéal pour de futures investigations", explique Wu.