Dans un article publié aujourd'hui à Avancées scientifiques , Des chercheurs australiens décrivent la première observation d'un métal ferroélectrique natif :un métal natif avec des états de polarisation spontanée bistables et commutables électriquement, la marque de fabrique de la ferroélectricité. L'étude a révélé la coexistence de la métallicité native et de la ferroélectricité dans le ditellurure de tungstène cristallin en vrac (WTe 2 ) à température ambiante. Un matériau de van-der-Waals qui est à la fois métallique et ferroélectrique dans sa forme cristalline en vrac à température ambiante a un potentiel pour des applications nanoélectroniques.

L'étude représente le premier exemple d'un métal natif avec des états de polarisation spontanée bistables et commutables électriquement, la marque de fabrique de la ferroélectricité.

"Nous avons trouvé la coexistence de la métallicité native et de la ferroélectricité dans le ditellurure de tungstène cristallin en vrac (WTe 2 ) à température ambiante, " explique l'auteur de l'étude, le Dr Pankaj Sharma.

"Nous avons démontré que l'état ferroélectrique est commutable sous une polarisation électrique externe et expliquons le mécanisme de la 'ferroélectricité métallique' dans WTe 2 par une étude systématique de la structure cristalline, mesures de transport électroniques et considérations théoriques."

"Un matériau de van der Waals qui est à la fois métallique et ferroélectrique dans sa forme cristalline en vrac à température ambiante a un potentiel pour de nouvelles applications nano-électroniques, ", explique l'auteur, le Dr Feixiang Xiang.

Document d'information ferroélectrique

La ferroélectricité peut être considérée comme une analogie avec le ferromagnétisme. Un matériau ferromagnétique présente un magnétisme permanent, et en termes simples, est simplement, un « aimant » avec les pôles nord et sud. Le matériau ferroélectrique présente également une propriété électrique analogue appelée polarisation électrique permanente, qui provient de dipôles électriques constitués d'égal, mais des extrémités ou des pôles chargés de manière opposée. Dans les matériaux ferroélectriques, ces dipôles électriques existent au niveau de la cellule élémentaire et donnent lieu à un moment dipolaire électrique permanent non nul.

Ce moment dipolaire électrique spontané peut être transféré à plusieurs reprises entre deux ou plusieurs états ou directions équivalents lors de l'application d'un champ électrique externe - une propriété utilisée dans de nombreuses technologies ferroélectriques, par exemple mémoire d'ordinateur nano-électronique, Cartes RFID, transducteurs médicaux à ultrasons, caméras infrarouges, sonar sous-marin, capteurs de vibrations et de pression, et actionneurs de précision.

Classiquement, la ferroélectricité a été observée dans des matériaux isolants ou semi-conducteurs plutôt que métalliques, parce que les électrons de conduction dans les métaux masquent les champs internes statiques résultant du moment dipolaire.

L'étude

Un semi-métal ferroélectrique à température ambiante a été publié dans Avancées scientifiques en juillet 2019.

Ditellurure de tungstène monocristallin en vrac (WTe 2 ), qui appartient à une classe de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), a été sondé par des mesures spectroscopiques de transport électrique, microscopie à force atomique conductrice (c-AFM) pour confirmer son comportement métallique, et par microscopie à force piézo-réponse (PFM) pour cartographier la polarisation, détecter la déformation du réseau due à un champ électrique appliqué.

Domaines ferroélectriques, c'est-à-dire les régions avec une direction de polarisation opposée - ont été directement visualisées dans du WTe fraîchement clivé 2 monocristaux.

Des mesures spectroscopiques-PFM avec une électrode supérieure dans une géométrie de condensateur ont été utilisées pour démontrer la commutation de la polarisation ferroélectrique.

L'étude a été financée par le Conseil australien de la recherche par l'intermédiaire du Centre d'excellence de l'ARC dans les technologies électroniques futures à faible consommation d'énergie (FLEET), et le travail a été effectué en partie à l'aide des installations des nœuds NSW de l'installation nationale de fabrication australienne, avec l'aide du programme de bourses du programme de formation à la recherche du gouvernement australien.

Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) des premiers principes (Université du Nebraska) ont confirmé les découvertes expérimentales des origines électroniques et structurelles de l'instabilité ferroélectrique de WTe 2 , soutenu par la National Science Foundation.

Etudes ferroélectriques à FLEET

Les matériaux ferroélectriques sont fortement étudiés à FLEET (le Centre d'excellence de l'ARC pour les futures technologies électroniques à faible consommation d'énergie) pour leur utilisation potentielle dans l'électronique à basse énergie, technologie « au-delà du CMOS ».

Le moment dipolaire électrique commutable des matériaux ferroélectriques pourrait par exemple être utilisé comme grille pour le système électronique 2D sous-jacent dans un isolant topologique artificiel.

En comparaison avec les semi-conducteurs conventionnels, la proximité très proche (inférieure au nanomètre) du moment dipolaire électronique d'un ferroélectrique au gaz d'électrons dans le cristal atomique assure une commutation plus efficace, surmonter les limitations des semi-conducteurs conventionnels où le canal conducteur est enterré à des dizaines de nanomètres sous la surface.

Les matériaux topologiques sont étudiés dans le cadre du thème de recherche 1 de FLEET, qui cherche à établir des chemins électroniques à ultra-faible résistance avec lesquels créer une nouvelle génération d'électronique à ultra-faible énergie.