La découverte d'un effet physique sans précédent dans un nouveau matériau artificiel marque une étape importante dans le long processus de développement de matériaux "sur mesure" et d'une électronique plus économe en énergie.

L'électronique à base de silicium d'aujourd'hui consomme une part substantielle et toujours croissante de l'énergie mondiale. De nombreux chercheurs explorent les propriétés de matériaux plus complexes que le silicium mais prometteurs pour les appareils électroniques de demain, et moins gourmands en électricité. Conformément à cette approche, des scientifiques de l'Université de Genève (UNIGE) ont travaillé en collaboration avec l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), l'Université de Zurich, le Flatiron Institute de New York et l'Université de Liège. Les scientifiques ont découvert un phénomène physique jusqu'alors inconnu dans un matériau artificiel constitué de très fines couches de nickelates. Cela pourrait être exploité pour contrôler avec précision certaines des propriétés électroniques du matériau, comme le passage soudain d'un état conducteur à un état isolant. Il pourrait également être utilisé pour développer de nouveaux, appareils plus économes en énergie. Vous pouvez lire sur cette avancée technologique dans la revue Matériaux naturels .

« Les nickelates sont connus pour une caractéristique particulière :ils passent brutalement d'un état isolant à celui de conducteur électrique lorsque leur température dépasse un certain seuil, " commence Jean-Marc Triscone, professeur au Département de physique de la matière quantique de la Faculté des sciences de l'UNIGE. "Cette température de transition varie en fonction de la composition du matériau."

Les nickelates sont formés à partir d'un oxyde de nickel additionné d'un atome appartenant aux éléments dits de "terres rares" (c'est-à-dire un ensemble de 17 éléments du tableau périodique). Lorsque cette terre rare est le samarium (Sm), par exemple, le saut métal-isolant a lieu vers 130°C, tandis que si c'est du néodyme (Nd), le seuil descend à -73°C. Cette différence s'explique par le fait que lorsque Sm est remplacé par Nd, la structure cristalline du composé est déformée et c'est cette déformation qui contrôle la valeur de la température de transition.

Dans leur tentative d'en savoir plus sur ces matériaux, les scientifiques genevois ont étudié des échantillons constitués de couches répétées de nickelate de samarium déposées sur des couches de nickelate de néodyme, une sorte de « super sandwich » où tous les atomes sont parfaitement disposés.

Se comporter comme un seul matériau

Claribel Dominguez, chercheur au Département de physique de la matière quantique et premier auteur de l'article, explique :« Lorsque les couches sont assez épaisses, ils se comportent de manière indépendante, chacun gardant sa propre température de transition. Assez curieusement, lorsque nous avons affiné les couches jusqu'à ce que chacune ne dépasse pas huit atomes, l'ensemble de l'échantillon a commencé à se comporter comme un seul matériau, avec un seul grand saut de conductivité à une température de transition intermédiaire."

Une analyse très détaillée réalisée au microscope électronique à l'EPFL, appuyée par des développements théoriques sophistiqués entrepris par des collègues américains et belges, a montré que la propagation des déformations de la structure cristalline aux interfaces entre les matériaux ne se fait que dans deux ou trois couches atomiques. . Par conséquent, ce n'est pas cette distorsion qui explique le phénomène observé. En réalité, c'est comme si les couches les plus éloignées savaient en quelque sorte qu'elles sont très proches de l'interface mais sans être physiquement déformées.

ce n'est pas magique

"Il n'y a rien de magique là-dedans, " dit Jennifer Fowlie, chercheur au Département de physique de la matière quantique et co-auteur de l'article. "Notre étude montre que le maintien d'une interface entre une région conductrice et une région isolante, comme c'est le cas dans nos échantillons, est très cher en énergie. Donc, lorsque les deux couches sont suffisamment fines, ils sont capables d'adopter des comportements beaucoup moins énergivores, qui consiste à devenir un seul matériau, soit totalement métallique, soit totalement isolant, et avec une température de transition commune. Et tout cela se passe sans que la structure cristalline soit modifiée. Cet effet, ou couplage, est sans précédent."

Cette découverte a été rendue possible grâce au soutien du Fonds national suisse de la recherche scientifique et du Q-MAC ERC Synergy Grant (Frontiers in Quantum Materials' Control). Il fournit une nouvelle façon de contrôler les propriétés des structures électroniques artificielles, lequel, dans ce cas, est le saut de conductivité obtenu par les chercheurs genevois dans leur composite nickelate, ce qui représente un pas en avant important pour le développement de nouveaux appareils électroniques. Les nickelates pourraient être utilisés dans des applications telles que les transistors piézoélectriques (réagissant à la pression).

Plus généralement, l'œuvre genevoise s'inscrit dans une stratégie de production de matériaux artificiels « by design, " c'est-à-dire avec des biens qui répondent à un besoin précis. Ce parcours, qui est suivi par de nombreux chercheurs à travers le monde, est prometteur pour l'électronique écoénergétique du futur.