Première mondiale sur la ligne de lumière TEMPO : observer la structure de bande des surfaces en conditions operando
La ligne de lumière TEMPO de SOLEIL franchit une étape majeure avec la mise en service réussie de la seule installation au monde dédiée à la spectroscopie de photoémission résolue en angle en conditions de pression proche de l’ambiante (NAP-ARPES).
Fruit d’un partenariat étroit entre SOLEIL et Sorbonne Université, au sein d’une large collaboration internationale réunissant des chercheurs de France, d’Allemagne, du Japon, de Corée du Sud et des États-Unis, cette avancée ouvre l’accès à la spectroscopie résolue en angle dans des conditions proches de celles rencontrées en fonctionnement réel. Elle positionne TEMPO à la pointe des études « operando » consacrées à la catalyse, aux matériaux pour l’énergie et aux matériaux quantiques.
Développé à partir de la station de photoémission sous pression proche de l’ambiante de Sorbonne Université installée sur TEMPO, cet instrument unique permet pour la première fois d’observer directement la structure électronique des surfaces en présence de gaz et au cours de réactions catalytiques.
La conception, le développement et la mise en service de l’instrument sont présentés dans une récente publication parue dans Review of Scientific Instruments.
Accéder à la « signature électronique » d’une surface en fonctionnement
Contrairement à la NAP-XPS conventionnelle, qui fournit principalement des informations sur la composition chimique des surfaces et la nature de leurs liaisons, la NAP-ARPES permet d’accéder directement aux états électroniques qui gouvernent les interactions entre un matériau et son environnement et jouent un rôle déterminant dans sa réactivité chimique.
Autrement dit, cette nouvelle technique permet de sonder la signature électronique d’une surface lors de la réaction.
Cette capacité ouvre des perspectives inédites pour comprendre les mécanismes fondamentaux à l’œuvre dans les réactions catalytiques. Elle permet notamment de relier directement les propriétés électroniques d’un matériau à son comportement chimique dans des conditions réalistes.
Des matériaux quantiques aux technologies de l’énergie
Les perspectives sont particulièrement prometteuses dans le domaine des matériaux quantiques. Les isolants topologiques, issus d’un domaine scientifique récompensé par le prix Nobel de physique 2016 pour les phases topologiques de la matière, sont notamment étudiés comme matériaux catalytiques potentiels. Mais une question fondamentale demeure : leurs états électroniques de surface, qui présentent des propriétés singulières, participent-ils réellement aux réactions chimiques ?
La NAP-ARPES de TEMPO offre désormais une possibilité unique de s’attaquer directement à cette question, en permettant d’observer ces états électroniques sous gaz et dans des conditions proches du fonctionnement réel.
La technique présente également un intérêt majeur pour les réactions impliquant l’hydrogène, élément central des futures technologies énergétiques. Si la présence d’hydrogène peut être difficile à détecter directement par les techniques conventionnelles de photoémission, son interaction avec un matériau peut en revanche modifier profondément ses propriétés électroniques. La NAP-ARPES permet de suivre ces modifications et d’apporter ainsi un éclairage nouveau sur le rôle de l’hydrogène dans les processus catalytiques et les mécanismes de conversion de l’énergie.
Une plateforme intégrée pour étudier les matériaux en conditions réelles
La véritable force de cette nouvelle capacité réside également dans son intégration aux outils déjà disponibles sur TEMPO. En combinant la NAP-ARPES avec la NAP-XPS et la NAP-NEXAFS, ainsi qu’avec l’expertise reconnue de la ligne dans les expériences résolues en temps, les chercheurs peuvent désormais mettre en relation, sur un même échantillon et dans les mêmes conditions réactionnelles, composition chimique, structure électronique et dynamique des processus.
TEMPO dispose ainsi d’un ensemble expérimental particulièrement puissant pour explorer les surfaces catalytiques, les matériaux pour l’énergie, les matériaux quantiques et les interfaces réactives directement en conditions « operando ».
La mise en service de ce nouvel équipement est le résultat d’un effort collectif au sein du Synchrotron SOLEIL, l’implication notamment des groupes Alignement et Vide ainsi que du Laboratoire des Matériaux a été déterminante.