La microscopie à force latérale révèle les lacunes atomiques sous la surface du MoS₂, renversant une hypothèse de longue date
Par Marie, journaliste scientifique pour 1ban.news
Pendant des décennies, la microscopie à force latérale (LFM), une technique de sonde à balayage qui mesure les forces de frottement à l’échelle nanométrique, était considérée comme sensible uniquement à la toute première couche atomique. On supposait que les caractéristiques sous la surface étaient invisibles pour la pointe glissant sur la surface.
Une équipe dirigée par Cristina Gómez-Navarro à l’Universidad Autónoma de Madrid et J. G. Vilhena à l’Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) a prouvé que cette hypothèse était erronée. Dans une étude publiée le 9 juillet dans Nature Communications, ils démontrent que la LFM peut non seulement détecter les lacunes atomiques sous la surface du disulfure de molybdène (MoS₂), mais aussi les classer par profondeur en fonction d’empreintes frictionnelles distinctives.
Deux signatures, deux profondeurs
Les chercheurs ont utilisé la LFM en mode contact sur des monocouches et des couches minces de MoS₂, un dichalcogénure de métal de transition largement étudié pour ses propriétés électroniques et optiques. Lorsque la pointe acérée balaie la surface, la déflexion en torsion du cantilever enregistre la force latérale (frictionnelle) à chaque point.
Lorsque la pointe rencontrait une lacune de surface, un atome de soufre manquant dans la couche supérieure, le signal de frottement montrait un motif caractéristique que l’équipe appelle « chute-et-montée » : la force latérale chute soudainement lorsque la pointe plonge dans le site de l’atome manquant, puis monte brusquement lorsqu’elle en sort.
Lorsque la pointe passait sur une lacune sous la surface, un atome manquant une couche sous la surface, la signature était entièrement différente. Il n’y avait pas de chute d’entrée (la couche de surface est intacte, donc la pointe ne tombe pas dans un trou), mais un pic de frottement prononcé apparaissait du côté de la sortie. Cette barrière de sortie, explique l’équipe, survient parce que l’atome manquant en dessous crée une distorsion locale du réseau qui « pince » la pointe de manière asymétrique lorsqu’elle se déplace.
Vérifié par simulation
Les observations expérimentales ont été confirmées par des simulations de dynamique moléculaire et quantitativement capturées par un modèle de Prandtl-Tomlinson, un cadre classique pour le frottement nanométrique. Les simulations ont révélé que le mécanisme est géométrique plutôt que chimique : la perturbation du réseau causée par l’atome manquant affecte la trajectoire de la pointe indépendamment du matériau spécifique.
Cela signifie que la technique devrait se généraliser à toute la famille des matériaux en couches, le graphène, le nitrure de bore hexagonal, les autres dichalcogénures de métaux de transition et au-delà.
Un outil pratique pour le contrôle qualité des matériaux 2D
Cette découverte a des implications pratiques immédiates. Les lacunes atomiques sont parmi les défauts les plus courants dans les matériaux bidimensionnels, et leur présence, ainsi que leur profondeur, affecte directement les propriétés électroniques, optiques et mécaniques. Jusqu’à présent, l’identification des lacunes sous la surface nécessitait la microscopie électronique à transmission (qui peut endommager l’échantillon) ou la microscopie à effet tunnel (qui nécessite le vide et des échantillons conducteurs). La LFM offre une alternative non destructive, à haute résolution et à relativement haut débit qui fonctionne dans des conditions ambiantes.
L’équipe a démontré l’utilité de la méthode en comparant la densité et le type de défauts entre le MoS₂ cultivé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et les échantillons exfoliés mécaniquement. Les films cultivés par CVD présentaient une densité globale de lacunes plus élevée mais un rapport surface/sous-surface différent, une information qui pourrait être réinjectée dans l’optimisation de la synthèse.
Implications plus larges
Ces travaux remodèlent également la manière dont les chercheurs devraient interpréter les données LFM existantes. Si les caractéristiques sous la surface, et pas seulement la topographie de surface, influencent le frottement sur le MoS₂, il pourrait en être de même pour d’autres matériaux où le frottement nanométrique a été mesuré. Certains signaux de frottement précédemment attribués à la chimie de surface pourraient, rétrospectivement, avoir été causés par des défauts sous la surface cachés.
Pour le domaine en plein essor des dispositifs à matériaux 2D, la capacité de cartographier de manière non destructive les lacunes sous la surface à grande échelle pourrait devenir une étape métrologique standard, une étape qui ne nécessite aucun équipement spécialisé au-delà des microscopes à force atomique déjà courants dans les laboratoires de nanoscience.
Ces travaux ont été soutenus par le ministère espagnol de la Science, la bourse ERC Starting Grant HeaT2Defects, la Comunidad de Madrid et le Centre national polonais de la science, entre autres.
Sources :
1. Gutiérrez-Varela, O., Zambudio, A., Ares, P. et al. « Unveiling surface and subsurface atomic vacancies in MoS₂ with lateral force microscopy. » Nature Communications (2026). DOI : 10.1038/s41467-026-75151-0
2. Documents de presse ICMM-CSIC / UAM / IFIMAC, juillet 2026.
Traduit par Lydie