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Mieux comprendre les dispositifs en fonctionnement

20/02/2017

Comprendre le fonctionnement intime des dispositifs  – batteries, cellules solaires, transistors, mémoires magnétiques, etc. – est essentiel pour pouvoir les améliorer. Un groupe de chercheurs incluant des physiciens de l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg ont développé une nouvelle approche, publiée en mars 2017 dans la revue Advanced Materials, pour caractériser les performances d’un dispositif en relation avec les matériaux qui le composent.

Vue artistique de l’expérience réalisée :  un faisceau de lumière issu du rayonnement synchrotron est focalisé sur  une cellule mémoire en fonctionnement

Tous les atomes ne sont pas forcément égaux au sein d’un dispositif, qu’il soit électronique ou photonique. « Bien souvent, un nombre restreint d’atomes dicte le comportement du dispositif, explique Martin Bowen, chercheur à l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg. Or, les études menées actuellement ne tiennent pas compte de cette réalité. » Le physicien et ses collaborateurs ont donc développé une méthode pour évaluer à une échelle nanométrique la façon dont un dispositif opère. 

Comprendre à l’échelle nano

En utilisant le rayonnement du synchrotron Soleil, l’équipe est parvenue à exciter un groupe ciblé d’atomes d’une cellule mémoire magnétique en fonctionnement, tout en mesurant leur impact sur la conduction électrique de la cellule. « En fait, nous proposons un nouveau type d’études in operando, explique Martin Bowen. En examinant l’impact du rayonnement sur la matière dans le courant traversant le dispositif, plutôt que sur l’ensemble de l’échantillon comme il est d'usage de le faire, nous focalisons cette sonde de la matière sur les atomes responsables de l’opération du dispositif.» Pour le scientifique, cette méthodologie inédite permet d’établir immédiatement et avec certitude un lien de cause à effet entre les matériaux composant un dispositif et les performances observées, contrairement à l’approche classique.

Accélérer la R&D

Une méthode applicable à tout type de dispositifs. « Dans le cas des cellules solaires, des efforts sont menés pour comprendre l’impact des impuretés d’atomes de cuivre. Avec notre technique, on pourrait exciter ces atomes de cuivre – et eux-seuls – et ainsi clarifier leur influence sur le fonctionnement des cellules », propose Martin Bowen en guise d’exemple. Si la pratique de cette méthode venait à se généraliser, les grands instruments de recherche tels que les synchrotrons pourraient permettre aux industriels de comprendre de manière plus directe le fonctionnement de leurs dispositifs, et ainsi d’accélérer le processus de recherche et développement.

Pour quelles perspectives ?

Le rayonnement synchrotron, quésaco ?

Important information

En général, les synchrotrons sont des accélérateurs de particules utilisés pour analyser la matière de façon non destructive. Ils n’ont pas vocation à faire s’entrechoquer des particules élémentaires mais à produire un rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement dit synchrotron peut reproduire une gamme de lumière allant de l’infrarouge aux rayons X avec une très grande précision. La brillance du rayonnement produit est très élevée.  Grâce à cela, les photons émis peuvent pénétrer au cœur de la matière et sonder ses moindres recoins.

Léa Fizzala et Ronan Rousseau