Des ions en surfant sur les vagues

"Les ions sont les nouveaux électrons, l'ionique est l'électronique du futur", déclare Jennifer Rupp, professeure de matériaux électrochimiques à l'ETH Zurich, résumant ainsi son domaine de recherche. Avec son groupe, Rupp fabrique des matériaux céramiques qui peuvent conduire très rapidement des atomes chargés (ions), comme par exemple des ions d'oxygène ou de lithium. Les propriétés électrochimiques de ces matériaux sont déjà utilisées aujourd'hui, par exemple dans les sondes lambda des catalyseurs automobiles ou dans les piles à combustible à oxyde solide. Et la professeure de l'ETH est convaincue que l'importance industrielle de ces matériaux va fortement augmenter - par exemple pour les capteurs de gaz, pour de nouvelles classes de mémoires de données et de circuits informatiques ou pour la conversion de l'énergie chimique en énergie électrique et inversement.

L'une des questions de recherche les plus importantes actuellement dans son domaine est de savoir comment optimiser ces matériaux, qui se présentent généralement sous la forme d'une fine membrane, afin que les ions s'y déplacent plus rapidement, explique Mme Rupp. Dans une étude qui vient d'être publiée dans la revue spécialisée "Nature Materials", plusieurs doctorants de son groupe ont montré que le transport des ions dépendait fortement de la manière dont ces membranes sont tendues. Ils ont également réussi à contr?ler de manière ciblée la tension des membranes, ce qui est important pour le développement d'applications techniques futures.

Membrane autoportante

Pour leur étude, les scientifiques ont travaillé avec une très fine couche de céramique, concrètement de l'oxyde de cérium dopé au gadolinium. "C'est l'un des conducteurs d'ions les plus utilisés dans l'industrie", explique le doctorant de l'ETH Sebastian Schweiger.

Dans les travaux de recherche menés jusqu'à présent dans ce domaine, le matériau a généralement été étudié sous forme de film mince sur un support en silicium. Yanuo Shi, un autre doctorant du groupe de Rupp et premier auteur de l'article publié aujourd'hui, a toutefois créé une membrane autonome à partir du matériau en gravant le matériau de support sous la fine couche de céramique. Celle-ci n'est pas restée plate, mais s'est ondulée parce que les tensions internes de la couche se sont modifiées lors de la gravure. Sur de petits morceaux de ces membranes, Shi a fixé des microélectrodes et a ainsi fabriqué de minuscules composants permettant de produire de l'électricité à partir d'hydrogène ou de composés organiques ainsi que d'oxygène de l'air.

Les électrodes influencent les modèles d'ondes

Les chercheurs ont ainsi pu montrer que la disposition des électrodes influence le modèle d'ondes de la membrane céramique ainsi que la structure du matériau au niveau des atomes. Cela influence à son tour très fortement la conductivité de la membrane pour les ions d'oxygène. Les scientifiques ont réussi à décrire cet effet en détail. "C'est la première fois qu'il nous est possible de contr?ler de manière ciblée le modèle d'ondes et la conductivité ionique de telles membranes", explique Alexander Bork, un autre doctorant impliqué dans ce travail.

Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont surtout essayé de modifier la conductivité de tels conducteurs d'ions en "contaminant" délibérément le matériau avec certains atomes étrangers - en langage technique : en le dopant. Les chercheurs de l'ETH ont maintenant montré que la conductivité peut être influencée beaucoup plus fortement par le contr?le du modèle d'onde et de la tension que par le dopage.

"Lors d'expériences précédentes, les scientifiques avaient déjà remarqué que la production d'électricité dans les piles à combustible à oxyde solide variait fortement en fonction de la structure de telles piles. Nous avons maintenant trouvé dans l'expérience une explication possible à ce comportement gr?ce à la tension du conducteur d'ions", explique Rupp. Il est désormais possible d'optimiser de manière ciblée les membranes conductrices d'ions. Cela favorise le développement de futurs capteurs de gaz, de mémoires de données à base d'ions ainsi que de microconvertisseurs d'énergie comme par exemple les piles à combustible - et peut-être toute une série d'applications encore inconnues dans le domaine prometteur de l'électronique.