Une équipe scientifique du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie et de l'Université Vanderbilt a fait la première observation expérimentale d'une phase matérielle qui avait été prédite mais jamais vue. La phase nouvellement découverte se couple à une phase connue pour permettre un contrôle unique sur les propriétés des matériaux, une avancée qui ouvre la voie à une éventuelle manipulation de la conduction électrique dans des matériaux bidimensionnels (2-D) tels que le graphène.

L'équipe a fait la découverte en utilisant un cristal contenant du cuivre qui est ferroélectrique, ou a un dipôle électrique constant qui peut être inversé lorsqu'un champ électrique est appliqué.

"Ces matériaux peuvent devenir des éléments constitutifs des technologies énergétiques et électroniques ultra-minces, " a déclaré Nina Balke de l'ORNL, un auteur correspondant d'un article rapportant la découverte dans Matériaux naturels .

L'observation montre des propriétés qui peuvent être exploitées pour doter les matériaux de nouvelles fonctions. Ces propriétés dépendent de l'emplacement des atomes de cuivre dans le cristal. Les atomes de cuivre peuvent soit s'asseoir dans les couches du cristal, soit se déplacer dans les espaces entre les couches - appelés "espaces de van der Waals" - où ils créent des liaisons ioniques faibles avec les couches voisines et forment la nouvelle phase.

Les scientifiques ont mesuré les réponses électromécaniques à travers des cristaux ferroélectriques en couches de thiophosphate de cuivre et d'indium, ou CIPS. Ce matériau est piézoélectrique, ce qui signifie que ses surfaces se chargent lorsqu'il est étiré ou comprimé. Inversement, l'application d'un champ électrique fait se dilater ou se contracter un matériau piézoélectrique. Les propriétés piézoélectriques du CIPS (CuInP 2 S 6 ) ont été la clé pour l'étudier expérimentalement aussi bien que théoriquement pour révéler les nouveaux phénomènes.

La recherche théorique a été menée par le groupe de Sokrates Pantelides, professeur à l'Université Vanderbilt et chercheur invité distingué à l'ORNL. À l'aide de calculs quantiques, les membres du groupe ont déplacé l'atome responsable du déplacement polaire (le cuivre) à travers la structure cristalline et ont calculé l'énergie potentielle. "Un résultat typique pour un matériau ferroélectrique est que vous avez deux minima d'énergie, ou 'puits, ' pour cet atome; chacun représente un vecteur de polarisation, un pointant vers le haut, l'autre vers le bas, " dit Pantelides. " Pour ce matériel, la théorie a prédit quatre minima d'énergie, ce qui est extrêmement inhabituel."

L'équipe de recherche a découvert que les deux minima d'énergie supplémentaires proviennent d'une deuxième phase structurelle avec une amplitude de polarisation double et avec une position stable pour l'atome de cuivre dans le trou de van der Waals. De plus, les constantes piézoélectriques théoriquement prédites pour les deux phases polaires dans CIPS correspondaient à celles mesurées expérimentalement.

"Il s'agit de la première observation rapportée des propriétés piézoélectriques et ferroélectriques de la phase de haute polarisation, " dit Balke, l'expérimentateur principal de l'équipe. "On savait que le cuivre pouvait passer dans l'interstice, mais les conséquences pour les propriétés piézoélectriques et ferroélectriques n'étaient pas connues. Mais à la fin, c'est ce qui forme le quadruple bien."

Sabine Neumayer, membre de l'équipe ORNL, ajoutée, « Le quadruple puits ouvre de nombreuses opportunités passionnantes, en particulier parce que nous pouvons contrôler les transitions entre ces quatre états de polarisation différents en utilisant la température, de pression et de champs électriques." Habituellement, les ferroélectriques sont considérés comme des commutateurs entre deux états. Au CIPS, quatre états sont accessibles.

« CIPS est l'un des premiers matériaux ferroélectriques à être nativement compatible avec presque tous les matériaux 2D en raison de sa structure de van der Waals. Chaque fois que vous avez des forces de van der Waals, cela signifie que vous pouvez assembler des matériaux 2D et les séparer sans causer de dommages structurels majeurs, " Pierre Maksymovych, un autre auteur correspondant, mentionné. "La structure de van der Waals est ce qui permet le clivage de cristaux en vrac pour créer des nanostructures 2D avec des surfaces propres."

Les scientifiques du monde entier se sont précipités pour créer une interface active pour les matériaux 2D comme le graphène, un matériau d'un seul atome d'épaisseur avec une mobilité électronique très élevée. "Nous imaginons qu'à l'avenir, une interface active à CIPS peut contrôler le graphène via piézoélectrique, propriétés ferroélectriques et autres propriétés réactives, " Maksymovych a déclaré. "Cela mettra l'intelligence dans le graphène."

Michael McGuire de la division Science et technologie des matériaux de l'ORNL a développé et caractérisé les cristaux de l'étude avec Michael Susner, maintenant au Laboratoire de recherche de l'Air Force. "La compétition et la coexistence de plusieurs phases dans les cristaux rendent ces matériaux particulièrement excitants et intéressants, ", a-t-il déclaré. "La capacité d'étudier des matériaux complexes comme ceux-ci à la fois théoriquement et expérimentalement sur une large gamme d'échelles de longueur avec des techniques complémentaires rend ce type de travail possible à l'ORNL."

Les chercheurs ont mené des expériences au Centre des sciences des matériaux en nanophase de l'ORNL, où une instrumentation et une expertise inégalées ont permis des mesures précises et une analyse et une interprétation claires de données complexes. Les expériences se sont appuyées sur la microscopie à force de réponse piézoélectrique (PFM) pour imager et contrôler les domaines ferroélectriques à des échelles allant du millionième au milliardième de mètres. Une sonde conductrice pointue applique un champ électrique à la surface d'un échantillon, et la déformation induite électromécaniquement du matériau est déduite du déplacement de la sonde.

« CNMS est l'institution leader mondial de la microscopie de force à réponse piézoélectrique, " a déclaré Maksymovych. " Les gens viennent ici du monde entier pour mesurer les propriétés de leurs échantillons. et des grands noms en théorie, tels que Panchapakesan Ganesh et Sokrates Pantelides, tous auteurs de cet article. « Sans cette expertise de longue date, la mesure elle-même n'a peut-être pas donné l'image cohérente que nous avons obtenue, " a déclaré Balke.

Maksymovych ajouté, « L'interprétation des données pour les puits doubles est un défi. Les puits quadruples sont encore plus complexes car vous avez maintenant plusieurs propriétés de commutation. La séquence d'expansion et de contraction peut sembler bizarre et peu claire. Ce n'est que grâce aux efforts de Nina et Sabine que la bizarrerie a été normalisée afin que nous puissions comprendre exactement ce qui se passe."

Dans les études futures, les chercheurs vont sonder les propriétés dynamiques en observant les rapports de polarisation élevée et faible dans les matériaux contraints; en mouvement, stabiliser et intégrer les atomes de la nouvelle phase pour effectuer un changement ; sonder expérimentalement le comportement prédit des matériaux sous pression; et étudier comment les domaines ferroélectriques se réorientent après l'application d'un champ électrique.

Le titre de l'article est "Cristaux ferroélectriques de van-der-Waals à quadruple puits accordables".