Une évolution de l'ingénierie des défauts : l'étude à échelle nanométrique de la dynamique en équilibre et hors équilibre de la migration des défauts lacunaires

La dynamique en équilibre et hors équilibre des défauts (e.g. trous dans le réseau cristallin appelés lacunes ou interstitiels) englobe leur interaction entre eux ainsi qu’avec leur environnement. À la base, les défauts définissent les propriétés électroniques, optoélectroniques et chimiques d’un matériau. C’est pourquoi la compréhension des lois de la physique qui sous-tendent ces interactions, migrations et échanges de défauts est essentielle non seulement pour notre compréhension fondamentale des propriétés des matériaux mais aussi parce qu’elle est le socle du développement d’un large éventail de technologies qui sont stratégiques tant pour le Québec que le Canada, notamment les piles à oxyde solide, les membranes de séparation de l’oxygène, la conversion d’énergie, les dispositifs informatiques et les supraconducteurs à haute température. Dans ces applications, des pérovskites (i.e., structures « cubiques » d’oxydes à formule générique ABO3 où A (e.g., Ca ou Sr) et B (e.g., Nb ou Ti) sont des cations et O est un anion), dans lesquelles la dynamique des lacunes d’ion oxygène joue un rôle important, sont largement utilisées soit en tant que composante primaire ou comme substrat. Le corpus de connaissances quantitatives portant sur la dynamique de la mobilité des lacunes dans les pérovskites est basé en grande partie sur le volume et/ou des mesures moyennées dans le temps. Les phénomènes sous-jacents à échelle nanométrique sont en fait moyennés à des échelles dépassant de plusieurs ordres de grandeur les dimensions spatiales et temporelles présentes dans le réseau cristallin. Ceci nuit à notre compréhension des principes physiques de base qui gouvernent la migration des défauts dans les matériaux inorganiques. Afin de combler ce manque de connaissance fondamental, ce projet de recherche effectuera des mesures spatiales et temporelles de la dynamique de migration des défauts à l’échelle appropriée en utilisant des méthodes à résolution temporelle de microscopie à sonde locale (scanning probe microscopy, SPM). Les résultats de ce projet permettront de comprendre les variations spatiales et temporelles de la constante de temps et des barrières d’énergie associées à la migration des lacunes d’oxygène dans la pérovskite inorganique en fonction de la densité de défauts à la surface et au c?ur du matériau. Ce projet de recherche, qui établit des corrélations entre les propriétés physiques observées à la limite des frontières spatiales et temporelles, contribuera non seulement à résoudre des problèmes scientifiques de longue date concernant la génération, le transport et le stockage de l’électricité au moyen de systèmes à matériaux complexes, mais aussi permettra le développement de nouvelles applications en énergies renouvelables et en technologies quantiques  grâce à une compréhension approfondie de la dynamique intrinsèque et collective des porteurs de charge. Ainsi, ce projet de recherche a toutes les chances d’avoir un impact positif sur l’environnement.