Représentation d'artiste de la structure nanoscopique du nouveau matériau ferroélectrique développé par des chercheurs et collègues du MIT. Les points bleus et dorés représentent les atomes de bore et de nitrure dans deux feuilles atomiquement minces de nitrure de bore. Entre ces feuilles se trouvent deux couches de graphène; les points blanchâtres/bleus représentent des atomes de carbone. Les lignes verticales dorées qui traversent la figure représentent le mouvement des électrons. Crédit : Schéma par Ella Maru Studio
Des chercheurs et collègues du MIT ont découvert une propriété électronique importante et inattendue du graphène, un matériau découvert il y a seulement 17 ans environ qui continue de surprendre les scientifiques avec sa physique intéressante. L'oeuvre, qui implique des structures composées de couches atomiquement minces de matériaux qui sont également biocompatibles, pourrait inaugurer de nouveaux, paradigmes de traitement de l'information plus rapides. Une application potentielle est dans le calcul neuromorphique, qui vise à reproduire les cellules neuronales du corps responsables de tout, du comportement aux souvenirs.
Le travail introduit également une nouvelle physique que les chercheurs sont ravis d'explorer.
« Les hétérostructures à base de graphène continuent de produire des surprises fascinantes. Notre observation de la ferroélectricité non conventionnelle dans ce système simple et ultra-mince remet en question de nombreuses hypothèses dominantes sur les systèmes ferroélectriques et pourrait ouvrir la voie à toute une génération de nouveaux matériaux ferroélectriques, " dit Pablo Jarillo-Herrero, le professeur Cecil et Ida Green de physique au MIT et chef de file des travaux, qui impliquait une collaboration avec cinq autres professeurs du MIT de trois départements.
Une nouvelle propriété
Le graphène est composé d'une seule couche d'atomes de carbone disposés en hexagones ressemblant à une structure en nid d'abeille. Depuis la découverte du matériau, les scientifiques ont montré que différentes configurations de couches de graphène peuvent donner lieu à une variété de propriétés importantes. Les structures à base de graphène peuvent être soit des supraconducteurs, qui conduisent l'électricité sans résistance, ou des isolants, qui empêchent le mouvement de l'électricité. Ils ont même été trouvés pour afficher le magnétisme.
Dans les travaux en cours, qui a été signalé en décembre dernier dans La nature , les chercheurs et collègues du MIT montrent que le graphène bicouche peut également être ferroélectrique. Cela signifie que les charges positives et négatives du matériau peuvent se séparer spontanément en différentes couches.
Dans la plupart des matériaux, des charges opposées sont attirées l'une vers l'autre; ils veulent combiner. Seule l'application d'un champ électrique les forcera à des côtés opposés, ou des poteaux. Dans un matériau ferroélectrique, aucun champ électrique externe n'est nécessaire pour séparer les charges, donnant lieu à une polarisation spontanée. Cependant, l'application d'un champ électrique externe a un effet :un champ électrique de sens opposé fera basculer les charges et inverser la polarisation.
Zhiren (Isaac) Zheng montre un échantillon de la nouvelle structure ferroélectrique créée par des chercheurs et collègues du MIT (petit carré noir avec des bords dorés au-dessus de la tête de Zheng). La structure en or est l'intérieur d'un réfrigérateur à dilution sans cryogène que les chercheurs ont utilisé pour mesurer les nouvelles structures ferroélectriques. Crédit :Sergio de la Barrera, MIT
Pour toutes ces raisons, les matériaux ferroélectriques sont utilisés dans une variété de systèmes électroniques, des ultrasons médicaux aux cartes d'identification par radiofréquence (RFID).
ferroélectriques conventionnels, cependant, sont des isolants. Le ferroélectrique de l'équipe dirigée par le MIT à base de graphène fonctionne à travers un mécanisme complètement différent - une physique différente - qui lui permet de conduire l'électricité. Et cela ouvre une myriade d'applications supplémentaires. "Ce que nous avons trouvé ici, c'est un nouveau type de matériau ferroélectrique, " dit Zhiren (Isaac) Zheng, un étudiant diplômé du MIT en physique et premier auteur de l'article Nature.
Qiong Ma, Doctorat MIT 2016, co-auteur de l'article et professeur assistant au Boston College, met le travail en perspective. « Il y a des défis associés aux ferroélectriques conventionnels que les gens se sont efforcés de surmonter. Par exemple, la phase ferroélectrique devient instable au fur et à mesure de la miniaturisation du dispositif. Avec notre matériel, certains de ces défis peuvent être automatiquement résolus. » Ma a mené les travaux actuels en tant qu'associé postdoctoral par le biais du Materials Research Laboratory (MRL) du MIT.
Modèles importants
La structure créée par l'équipe est composée de deux couches de graphène - une bicouche - prises en sandwich entre des couches atomiquement minces de nitrure de bore (BN) au-dessus et au-dessous. Chaque couche de BN est à un angle légèrement différent de l'autre. Vu d'en haut, le résultat est un motif unique appelé superréseau moiré. Un motif moiré, à son tour, "peut changer radicalement les propriétés d'un matériau, " dit Zheng.
Le groupe de Jarillo-Herrero en a montré un exemple important en 2018. Dans ce travail, également signalé dans La nature , les chercheurs ont empilé deux couches de graphène. Ces couches, cependant, n'étaient pas exactement les uns sur les autres ; plutôt, l'un a été légèrement tourné à un "angle magique" de 1,1 degrés. La structure résultante a créé un motif moiré qui à son tour a permis au graphène d'être soit un supraconducteur, soit un isolant en fonction du nombre d'électrons dans le système fourni par un champ électrique. Essentiellement, l'équipe a pu « régler le graphène pour qu'il se comporte à deux extrêmes électriques, " selon un reportage du MIT à l'époque.
"Donc en créant cette structure moirée, le graphène n'est plus du graphène. Cela se transforme presque comme par magie en quelque chose de très, très différent, " dit Maman.
Dans les travaux en cours, les chercheurs ont créé un motif moiré avec des feuilles de graphène et de nitrure de bore qui a abouti à une nouvelle forme de ferroélectricité. La physique impliquée dans le mouvement des électrons à travers la structure est différente de celle des ferroélectriques conventionnels.
"La ferroélectricité démontrée par le groupe MIT est fascinante, " dit Philip Kim, professeur de physique et de physique appliquée à l'Université Harvard, qui n'a pas participé à la recherche.
"Ce travail est la première démonstration qui rapporte de la ferroélectricité électronique pure, qui présente une polarisation de charge sans mouvement ionique dans le réseau sous-jacent. Cette découverte surprenante invitera sûrement à d'autres études qui peuvent révéler des phénomènes émergents plus excitants et fournir une opportunité de les utiliser pour des applications de mémoire ultrarapide. »
Les chercheurs visent à poursuivre le travail en démontrant non seulement le potentiel du nouveau matériau pour une variété d'applications, mais aussi développer une meilleure compréhension de sa physique. "Il y a encore beaucoup de mystères que nous ne comprenons pas entièrement et qui sont fondamentalement très intrigants, " dit Maman.
