Le matériau ferroélectrique organique se compose d'empilements nanométriques de molécules en forme de disque qui agissent comme des « hystérons » avec un comportement ferroélectrique idéal. Combiné dans un dispositif de mémoire macroscopique, la boucle d'hystérésis arrondie caractéristique en résulte. Crédit :Indre Urbanaviciute et Tim Cornelissen
Les chercheurs ont réussi à démontrer que les particules hypothétiques proposées par Franz Preisach en 1935 existent réellement. Dans un article publié dans Communication Nature , des scientifiques des universités de Linköping et d'Eindhoven montrent pourquoi les matériaux ferroélectriques agissent comme ils le font.
La ferroélectricité est le jumeau moins connu du ferromagnétisme. Le fer, le cobalt et le nickel sont des exemples de matériaux ferromagnétiques courants. Les électrons dans de tels matériaux fonctionnent comme de petits aimants, dipôles, avec un pôle nord et un pôle sud. Dans un ferroélectrique, les dipôles sont électriques plutôt que magnétiques, et ont un pôle positif et négatif.
En l'absence de champ magnétique (pour un ferromagnétique) ou électrique (pour un ferroélectrique) appliqué, l'orientation des dipôles est aléatoire. Lorsqu'un champ suffisamment fort est appliqué, les dipôles s'alignent avec lui. Ce champ est connu sous le nom de champ critique (ou coercitif). Étonnamment, dans un matériau ferroïque, l'alignement reste lorsque le champ est supprimé, et le matériau est polarisé en permanence. Pour changer le sens de la polarisation, un champ au moins aussi fort que le champ critique doit être appliqué en sens inverse. Cet effet est connu sous le nom d'hystérésis - le comportement du matériau dépend de ce qui lui est arrivé auparavant. L'hystérésis rend ces matériaux très appropriés comme mémoire réinscriptible, par exemple, dans les disques durs.
Dans un matériau ferroélectrique idéal, l'ensemble commute sa polarisation lorsque le champ critique est atteint et il le fait avec une vitesse bien définie. Dans de vrais matériaux ferroélectriques, différentes parties du matériau commutent la polarisation à différents champs critiques, et à des vitesses différentes. Comprendre cette non-idéalité est la clé de l'application dans la mémoire de l'ordinateur.
Professeur Martijn Kemerink. Crédit :Thor Balkhed
Un modèle pour la ferroélectricité et le ferromagnétisme a été développé par le chercheur allemand Franz Preisach dès 1935. Le modèle purement mathématique de Preisach décrit les matériaux ferroïques comme une grande collection de petits, modules indépendants appelés hysterons. Chaque hysteron présente un comportement ferroïque idéal, mais a son propre champ critique qui peut différer d'un hysteron à un hysteron. Il a été généralement admis que le modèle donne une description précise des matériaux réels, mais les scientifiques n'ont pas compris la physique sur laquelle le modèle est construit. Quels sont les hystérons ? Pourquoi leurs domaines critiques diffèrent-ils comme ils le font ? En d'autres termes, pourquoi les matériaux ferroélectriques agissent-ils comme ils le font ?
Le groupe de recherche du professeur Martijn Kemerink (Complex Materials and Devices at LiU), en collaboration avec des chercheurs de l'Université d'Eindhoven, a maintenant étudié deux systèmes modèles ferroélectriques organiques et trouvé l'explication. Les molécules des matériaux ferroélectriques organiques étudiés aiment se superposer, formant des empilements cylindriques d'environ un nanomètre de large et plusieurs nanomètres de long.
"Nous pourrions prouver que ces piles sont en fait les hystérons recherchés. L'astuce est qu'elles ont des tailles différentes et interagissent fortement les unes avec les autres car elles sont si étroitement emballées. En dehors de sa propre taille unique, chaque pile ressent donc un environnement différent des autres piles, ce qui explique la distribution de Preisach, " dit Martijn Kemerink.
Tim Cornelissen et Indre Urbanaviciute, Université de Linköping. Crédit :Thor Balkhed
Les chercheurs ont montré que la commutation non idéale d'un matériau ferroélectrique dépend de sa nanostructure, en particulier, combien de piles interagissent les unes avec les autres, et les détails de la manière dont ils le font.
"Nous avons dû développer de nouvelles méthodes pour mesurer la commutation des hystérons individuels pour tester nos idées. Maintenant que nous avons montré comment les molécules interagissent les unes avec les autres à l'échelle nanométrique, nous pouvons prédire la forme de la courbe d'hystérésis. Cela explique aussi pourquoi le phénomène agit comme il le fait. Nous avons montré comment la distribution d'hystérons apparaît dans deux matériaux ferroélectriques organiques spécifiques, mais il est fort probable qu'il s'agisse d'un phénomène général. Je suis extrêmement fier de mes doctorants, Indre Urbanaviciute et Tim Cornelissen, qui ont réussi à y parvenir, " dit Martijn Kemerink.
Les résultats peuvent guider la conception de matériaux pour de nouveaux, mémoires dites multibits, et sont une nouvelle étape sur la voie des petits et flexibles souvenirs du futur.
