Sur la gauche se trouve une image de microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) à basse résolution d'un matériau ferroélectrique qui est continuellement gradué à partir de titanate de baryum et de strontium (BSTO, haut) au titanate de baryum (BTO, bas). Le matériau est cultivé sur un substrat de scandate de gadolinium (GSO) tamponné par une électrode inférieure en ruthénate de strontium (SRO). À droite se trouvent des cartes 2D locales basées sur la diffraction des nanofaisceaux des paramètres de réseau des axes a et c qui confirment les gradients de déformation importants dans le matériau ferroélectrique. Le matériau est prometteur en tant que condensateurs réglables électriquement avec une stabilité de température extrême. Crédit :Anoop Damodaran/Berkeley Lab
Les scientifiques ont considérablement élargi la gamme de températures fonctionnelles pour les ferroélectriques, un matériau clé utilisé dans une variété d'applications quotidiennes, en créant le tout premier gradient de polarisation dans un film mince.
La réalisation, signalé le 10 mai dans Communication Nature par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, ouvre la voie au développement d'appareils capables de prendre en charge les communications sans fil dans des environnements extrêmes, de l'intérieur des réacteurs nucléaires aux régions polaires de la Terre.
Les matériaux ferroélectriques sont appréciés pour avoir une polarisation spontanée qui est réversible par un champ électrique appliqué et pour la capacité de produire des charges électriques en réponse à une pression physique. Ils peuvent fonctionner comme des condensateurs, transducteurs, et oscillateurs, et ils peuvent être trouvés dans des applications telles que les cartes de transit, imagerie par ultrasons, et les systèmes d'allumage à bouton-poussoir.
Les scientifiques de Berkeley Lab ont créé une souche et un gradient chimique dans un film mince de 150 nanomètres de titanate de baryum et de strontium, un matériau ferroélectrique largement utilisé. Les chercheurs ont pu mesurer directement les minuscules déplacements atomiques dans le matériau à l'aide d'une microscopie avancée de pointe au Berkeley Lab, trouver des gradients dans la polarisation. La polarisation variait de 0 à 35 microcoulombs par centimètre carré sur l'épaisseur du matériau en couche mince.
Jeter les prédictions des manuels scolaires
"Les manuels traditionnels de physique et d'ingénierie n'auraient pas prédit cette observation, " a déclaré le chercheur principal de l'étude Lane Martin, chercheur à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur agrégé de matériaux et d'ingénierie à l'UC Berkeley. « Créer des gradients dans les matériaux coûte beaucoup d'énergie – Mère Nature ne les aime pas – et le matériau s'efforce de niveler ces déséquilibres de toutes les manières possibles. Pour qu'un grand gradient comme celui que nous avons ici se produise, il nous fallait quelque chose d'autre dans la matière pour compenser cette structure défavorable. Dans ce cas, la clé est les défauts naturels du matériau, telles que les charges et les lacunes des atomes, qui s'adaptent au déséquilibre et stabilisent le gradient de polarisation."
La création d'un gradient de polarisation a eu pour effet bénéfique d'élargir la plage de température pour des performances optimales du matériau ferroélectrique. La fonction du titanate de baryum est fortement dépendante de la température avec des effets relativement faibles près de la température ambiante et une grande, pic pointu en réponse à environ 120 degrés Celsius. Cela rend difficile l'obtention d'un bon contrôle, fonction fiable car la température varie au-delà d'une fenêtre plutôt étroite. Pour adapter le matériau au travail pour des applications à et autour de la température ambiante, les ingénieurs règlent la chimie du matériau, mais la gamme de températures où les matériaux sont utiles reste relativement étroite.
"Le nouveau profil de polarisation que nous avons créé donne lieu à une réponse diélectrique presque insensible à la température, ce qui n'est pas courant dans les matériaux ferroélectriques, " dit Martin. " En faisant un gradient dans la polarisation, le ferroélectrique fonctionne simultanément comme une gamme ou un continuum de matériaux, nous donnant des résultats de haute performance sur une fenêtre de 500 degrés Celsius. En comparaison, la norme, les matériaux du commerce aujourd'hui donneraient les mêmes réponses sur une fenêtre beaucoup plus petite de 50 degrés Celsius. »
Au-delà des expansions évidentes vers des environnements plus chauds et plus froids, les chercheurs ont noté que cette plage de températures plus large pourrait réduire le nombre de composants nécessaires dans les appareils électroniques et potentiellement réduire la consommation électrique des téléphones sans fil.
"Le smartphone que je tiens dans ma main en ce moment a des résonateurs diélectriques, déphaseurs, oscillateurs - plus de 200 éléments au total - basés sur des matériaux similaires à ceux que nous avons étudiés dans cet article, ", a déclaré Martin. "Environ 45 de ces éléments sont nécessaires pour filtrer les signaux entrant et sortant de votre téléphone portable pour vous assurer d'avoir un signal clair. C'est une énorme quantité de biens immobiliers à consacrer à une seule fonction."
Parce que les changements de température modifient la résonance des matériaux ferroélectriques, des ajustements constants sont effectués pour adapter les matériaux à la longueur d'onde des signaux envoyés par les tours de téléphonie cellulaire. La puissance est nécessaire pour régler le signal, et plus il est faux, plus le téléphone doit utiliser de puissance pour obtenir un signal clair pour l'appelant. Un matériau avec un gradient de polarisation capable de fonctionner sur des régimes de températures élevées pourrait réduire la puissance nécessaire pour régler le signal.
Des détecteurs plus rapides permettent de nouvelles techniques d'imagerie
La compréhension du gradient de polarisation impliquait l'utilisation de la déformation épitaxiale, une stratégie dans laquelle une surcouche cristalline est développée sur un substrat, mais avec un décalage dans la structure en treillis. Cette technique d'ingénierie des contraintes, couramment utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs, aide à contrôler la structure et à améliorer les performances des matériaux.
Les progrès récents de la microscopie électronique ont permis aux chercheurs d'obtenir des données structurelles à l'échelle atomique du titanate de baryum et de strontium contraint, et pour mesurer directement la déformation et le gradient de polarisation.
"Nous avons établi un moyen d'utiliser la diffraction par balayage nanofaisceaux pour enregistrer les motifs de diffraction à partir de chaque point, et ensuite analyser les ensembles de données pour les données de déformation et de polarisation, " a déclaré le co-auteur de l'étude Andrew Minor, directeur du Centre national de microscopie électronique à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science. « Ce type de cartographie, pionnier au Berkeley Lab, est à la fois nouveau et très puissant."
Un autre facteur clé était la vitesse du détecteur, Mineur ajouté. Pour ce papier, les données ont été obtenues à une cadence de 400 images par seconde, un ordre de grandeur plus rapide que le taux de 30 images par seconde d'il y a quelques années seulement. Cette technique est désormais disponible pour les utilisateurs de la Fonderie.
"On assiste à une révolution en microscopie liée à l'utilisation des détecteurs directs d'électrons qui change de nombreux domaines de recherche, " dit Mineur, qui est également titulaire d'un poste de professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. "Nous sommes capables à la fois de voir et de mesurer des choses à une échelle qui était difficile à imaginer jusqu'à récemment."
