En gardant intactes les « bulles » ferroélectriques, les chercheurs ouvrent la voie à de nouveaux dispositifs


En gardant intactes les

Observation de domaines de bulles ferroélectriques autonomes par microscopie à de réponse piézoélectrique haute résolution : les deux taches bleu-blanc (rayon de 4 nm) sur le bord droit de l’image indiquent des bulles. Source : Laboratoire national d’Argonne.)

Lorsqu’un magicien tire soudain une nappe d’une table chargée d’assiettes et de verres, un moment de tension survient alors que le public se demande si la scène ne sera bientôt plus recouverte de verre brisé. Jusqu’à présent, les scientifiques ont été confrontés à un dilemme analogique en travaillant avec des bulles électriques spéciales pour développer la prochaine génération de microélectroniques et de stockage d’énergie flexibles.

Des scientifiques du laboratoire national d’Argonne (DOE) du département américain de l’Énergie ont découvert une nouvelle façon de créer une version atomique du tour de la nappe en décollant des films minces hétérostructurés avec des bulles électriques d’un certain matériau ou substrat sous-jacent tout en les gardant complètement intacts. La découverte pourrait nous rapprocher d’une multitude d’applications basées sur ces structures inhabituelles et cassantes.

« Vous pouvez penser à cela comme à essayer de retirer une maison de ses fondations. Normalement, vous penseriez que la maison allait s’, mais nous avons constaté qu’elle conserve toutes ses propriétés », a déclaré Saidur Bakaul, scientifique des matériaux à Argonne.

« Les bulles sont très fragiles et nécessitent certains matériaux sous-jacents, appelés substrats, et des conditions spécifiques pour faire pousser des films avec elles », a déclaré Saidur Bakaul, scientifique des matériaux à Argonne. « Il existe de nombreux matériaux qui nous intéressent pour lesquels ces bulles pourraient être extrêmement utiles, comme les plastiques. Cependant, nous ne pouvions pas les cultiver directement sur ces matériaux. Notre recherche est le premier pas vers la création de bulles là-bas. »

Les bulles électriques sont dans une structure ultra-mince à trois couches avec des propriétés électriques changeantes : ferroélectrique, puis diélectrique, puis à nouveau ferroélectrique. Les bulles de cette structure multicouche sont constituées de dipôles spécialement ordonnés ou de charges jumelles électriques. L’orientation de ces dipôles est basée sur la tension locale dans le matériau et les charges à la surface, qui amènent les dipôles à rechercher leur état d’énergie relativement le plus bas. Finalement, les bulles électriques (domaines de bulles) se forment, mais seulement lorsque certaines conditions sont remplies. Ils sont facilement déformés même par de petites forces.

Dans l’expérience, les collègues de Bakaul de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud ont d’abord fait croître les bulles dans un film à hétérostructure ultra-mince sur un substrat de titanate de strontium – l’un des matériaux les plus simples sur lesquels elles peuvent être créées. Bakaul a ensuite relevé le défi d’éliminer l’hétérostructure du substrat tout en conservant les bulles. « Vous pouvez penser à cela comme à essayer de retirer une maison de ses fondations », a-t-il déclaré. « Normalement, on pourrait penser que la maison allait s’effondrer, mais nous avons constaté que toutes ses propriétés ont été préservées. »

Les domaines de bulles sont minuscules. Ils ont un rayon d’environ 4 nanomètres seulement – aussi large qu’un brin d’ADN humain. Par conséquent, ils sont difficiles à voir. Au département de science des matériaux d’Argonne, des techniques avancées de microscopie à sonde à balayage utilisant l’analyse par transformée de Fourier permettent aux scientifiques non seulement de les voir, mais également de quantifier leurs propriétés dans les films autoportants.

Pour déterminer que les domaines de la vessie sont restés intacts, Bakaul a mesuré leurs propriétés électroniques (capacité) et piézoélectriques grâce à deux techniques de microscopie : la microscopie à impédance micro-ondes à balayage et la microscopie à force de réaction piézo. Si les bulles s’étaient dissipées, la capacité aurait changé sous une tension appliquée, mais Bakaul a vu qu’elle restait relativement stable jusqu’à une tension assez élevée.

Ces expériences ont validé des estimations numériques de capacité obtenues à partir d’analyses théoriques que Bakaul et son étudiant ont développées en combinant des simulations atomistiques avec la théorie des circuits. « La combinaison de l’expérience et de la simulation a prouvé de manière concluante que ces bulles sont viables même si elles ont été retirées du substrat d’origine. Nous l’espérions depuis longtemps », explique Bakaul.

Lorsque les bulles ont été retirées, le film d’hétérostructure, qui était auparavant à plat comme une nappe, a soudainement pris un aspect ondulé. Alors que Bakaul a noté que beaucoup pourraient supposer que ce changement affecterait les propriétés des bulles, il a noté que les bulles étaient en fait protégées par un changement dans la tension intégrée du matériau. Des simulations atomistiques par les collègues de Bakaul à l’Université de l’Arkansas ont suggéré que l’énergie élastique aux interfaces libres est à l’origine de la formation d’ondulations.

Le résultat est passionnant, selon Bakaul, car ces bulles ont des propriétés électriques et mécaniques inhabituelles et fascinantes. « Les bulles ferroélectriques sont des objets nanométriques nouvellement découverts », a-t-il déclaré. « Il existe un consensus dans la communauté sur le fait qu’ils peuvent avoir de nombreuses utilisations. Par exemple, la conversion de ces bulles conduit à une réponse électromécanique inhabituellement élevée qui peut être utilisée dans une grande variété de dispositifs dans les applications microélectroniques et énergétiques. »

Bien que la physique, plutôt que la magie, ait créé une nouvelle façon possible d’intégrer ces bulles, Bakaul a suggéré que les nouvelles technologies basées sur elles pourraient avoir un impact transformateur. « Que nous parlions de récupérateurs d’énergie ou de superordinateurs, ces bulles pourraient faire toute la différence pour de nombreux matériaux et utilisations différents », a-t-il déclaré.

Un article basé sur cette recherche a été publié dans le numéro du 19 septembre de. publié Matériaux avancés.


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Plus d’information:
Saidur R. Bakaul et al., Domaines de bulles ferroélectriques autonomes, Matériaux avancés (2021). DOI : 10.1002 / adma.202105432

Fourni par le Laboratoire National d’Argonne

Citation: En gardant intactes les « bulles » ferroélectriques, les la voie à de nouveaux dispositifs (2021, 19 novembre) qui sortiront le 19 novembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-11-ferroelectric- intact- pave-devices.html

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