Fabriquer et observer des matériaux jusqu’à l’échelle atomique avec le projet MoxSpin

Découvrez en images, deux figures illustrant le travail du projet collaboratif Moxspin, issu de l’AAP ANR 2024. L’objectif : étudier un matériau, ici l’hexaferrite de barium, l’observer à l’échelle atomique, et en tirer des conclusions sur la qualité du dépôt réalisé

Le projet MoxSpin, issu de l’Appel à Projets ANR 2024, a pour but d’explorer la dynamique ultra rapide des spins. Seuls certains matériaux permettent cette dynamique ultra rapide, et il est indispensable qu’ils soient de très bonne qualité cristalline, c’est-à-dire très réguliers du point de vue de l’organisation des atomes.
Cependant, ces matériaux ne se trouvent pas dans le commerce : il faut les fabriquer. C’est pour cette raison que, dans le cadre du projet Moxspin, plusieurs scientifiques de l’Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS/CNRS/Université de Strasbourg) et de l’Institut de Physique de Rennes (IPR/CNRS/Université de Rennes) travaillent tout d’abord à fabriquer (déposer) les matériaux. Pour réussir ce dépôt, il faut trouver la bonne recette, les bons paramètres.
Pour vérifier que le dépôt est réussi, il faut ensuite regarder le matériau de très près. C’est là qu’intervient la microscopie électronique en transmission, une technique extrêmement riche pour l’étude des matériaux, qui permet de voir et de sonder la matière jusqu’aux atomes. Cette étude a eu lieu au laboratoire du CEMES (CNRS), dans le cadre du projet MoxSpin, financé par le Programme de Recherche SPIN.

Figure n°1 : un cliché de diffraction pour vérifier la structure du matériau

La figure n°1 montre un cliché de diffraction d’un matériau d’intérêt déposé à l’IPCMS. Ce matériau est un oxyde appelé l’hexaferrite de barium. Sa brique de base contient 1 atome de barium, 12 atomes de fer et 19 atomes d’oxygène, arrangés de façon un peu compliquée entre eux, mais formant des hexagones lorsqu’on les regarde vus de dessus.
Dans le cliché de diffraction, chaque point brillant correspond à un type de rangée d’atomes. Dans la matière étudiée, les atomes sont tous bien rangés, un peu comme dans un cube de Rubik : une rangée d’atomes, c’est-à-dire un point brillant dans l’image, correspondrait à une rangée de petits cubes. La forme et l’espacement entre les points du cliché de diffraction permettent de savoir comment sont organisés les atomes dans la matière observée (sous forme de cubes ? de cubes déformés ? sous forme d’hexagones ?). Dans ce cas, connaître cette organisation, ou « structure », des atomes permet de savoir si le dépôt est réussi, c’est-à-dire si l’hexaferrite de barium a bien été obtenu avec une structure hexagonale.
Ce cliché de diffraction, où l’on voit la structure atomique du matériau vue de côté, indique que, quasiment, le matériau souhaité a bien été obtenu, avec une bonne orientation et une organisation des atomes très régulière. Cependant, il existe des petites imperfections locales dans le matériau, visibles dans la figure n°2.
Figure n°2 : des imperfections locales et un curieux motif de moiré
Elle montre une image formée par les électrons du même matériau, l’hexaferrite de barium, vu de haut cette fois-ci. Elle laisse apparaître ses imperfections : des lignes et des traces noires appelées « joints de grains ». Ces joints de grains ont tendance à freiner la dynamique des spins. Cela signifie que, dans ce matériau, la qualité cristalline visée pour l’objectif du projet n’est pas encore atteinte. Il faut donc encore optimiser la recette du dépôt.
Dans toute l’image 2, un motif de billes est visible, il serait facile de croire qu’il s’agit d’atomes. En réalité, c’est un motif de moiré dû aux atomes. À l’échelle humaine, des motifs de moiré sont aussi observables : par exemple, lorsque deux parties d’un rideau se chevauchent. Ils apparaissent chaque fois que deux motifs très similaires ou identiques se superposent. Ici, deux motifs d’atomes organisés en hexagones, dont l’un présente de petits défauts par-ci, par-là, sont superposés, et cela crée le fameux moiré.
Cette étude a permis de mieux connaître un matériau déposé et a donné des indications aux membres de la communauté du laboratoire de l’IPCMS à Strasbourg de trouver la bonne recette pour déposer l’hexaferrite de barium. Et une fois ce matériau obtenu avec une qualité cristalline satisfaisante, sans imperfections locales comme des joints de grains, les chercheurs peuvent mesurer ses propriétés magnétiques pour étudier sa dynamique de spins ultra rapide.

Margaux Monvoisin

Plus de news Médiation scientifique