Des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory et de l'Université de Stanford ont réalisé un membrane flexible à partir d'un oxyde normalement cassant en la faisant croître sur une surface recouverte d'un composé qui se dissout dans l'eau. Lorsque le revêtement a été dissous, la membrane (rouge foncé) flottait librement. L'étirement de cette membrane a révélé comment la contrainte affecte les propriétés électroniques du matériau. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Une façon de changer les propriétés d'un matériau est de l'étirer un tout petit peu, ses atomes sont donc plus éloignés mais les liens entre eux ne se rompent pas. Cette distance supplémentaire affecte le comportement des électrons, qui déterminent si le matériau est un isolant ou un conducteur d'électricité, par exemple.
Mais pour une classe importante de matériaux d'oxydes complexes, les étirements ne fonctionnent pas si bien; ils sont aussi cassants que des tasses à café en céramique et se briseraient.
Des scientifiques du Laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont maintenant trouvé un moyen de contourner ce problème pour un oxyde complexe connu sous le nom de LCMO. Ils ont créé un super-mince, membrane souple du matériau normalement cassant, utilisé des micromanipulateurs pour l'étirer sur un petit appareil et l'a collé en place pour préserver l'étirement.
En appliquant une chaleur douce pour faire fondre la colle, ils pourraient libérer et étirer la même membrane transparente encore et encore et la regarder passer d'isolant à conducteur et vice-versa. L'étirement a également modifié ses propriétés magnétiques.
"Nous pouvons vraiment étirer et tendre ces choses de façon spectaculaire, jusqu'à 8%, " a déclaré Harold Hwang, professeur au SLAC et à Stanford et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Cela ouvre un tout nouveau monde de possibilités qui auront un impact au-delà de cette étude particulière."
L'équipe de recherche a fait part de ses conclusions dans Science aujourd'hui.
De nouvelles façons de flotter librement et de s'étirer
LCMO, ou oxyde de lanthane calcium manganèse, est ce qu'on appelle un matériau quantique parce que ses électrons se comportent de manière non conventionnelle et souvent surprenante. Les scientifiques veulent pouvoir contrôler et affiner ce comportement pour une nouvelle génération d'électronique avec des applications dans la transmission de puissance, transport, l'informatique, capteurs et détecteurs.
Pour voir comment la contrainte affecte les propriétés électroniques d'un matériau d'oxyde fragile, des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory et de l'Université de Stanford l'ont transformé en un super-mince, membrane souple, utilisé des micromanipulateurs pour l'étirer sur un petit appareil et l'a collé en place pour préserver l'étirement. L'étirement a fait passer le matériau de conducteur électrique à isolant et a modifié ses propriétés magnétiques. La technique peut être utilisée pour étudier et concevoir une large gamme de matériaux à utiliser dans des éléments tels que des capteurs et des détecteurs. Crédit :Seung Sae Hong, Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs SLAC
Les couches minces de matériaux quantiques sont généralement développées à la surface d'un autre matériau. Il y a quatre ans, Le groupe de Hwang a signalé un moyen facile de détacher ces couches délicates afin qu'elles puissent être étudiées de nouvelles manières.
L'un des chercheurs qui ont travaillé sur cette étude, Seung Sae Hong, a également dirigé celui-ci. Il a utilisé la nouvelle méthode pour créer et libérer de petits morceaux de LCMO qui étaient plus minces que jamais – moins de 20 nanomètres d'épaisseur. Ils étaient presque transparents et étonnamment flexibles.
Étirer directement un si petit, la ferraille fragile serait difficile, mais Hong a contourné ce problème en le mettant sur un film polymère mince, un peu comme un sac en plastique d'une épicerie, où il s'est collé de lui-même.
Ensuite, il a serré le film polymère sur chacun de ses quatre côtés et a utilisé un micromanipulateur pour le tirer et l'étirer, parfois dans une direction, parfois dans les deux sens à la fois. Une fois le LCMO étiré, son support en polymère pouvait être collé sur une autre surface et transféré sur un autre instrument pour examen aux rayons X.
Inverser les états électroniques
« Les expériences étaient assez fastidieuses et difficiles, " dit Hong, qui est maintenant professeur assistant à l'Université de Californie, Davis. "Nous regardions le film, réchauffez-le pour ramollir la colle et détendre l'étirement, le manipuler d'une autre manière, congelez-le en place et regardez-le à nouveau."
Les chercheurs ont pu mesurer directement l'espacement entre les atomes et confirmer qu'il augmentait avec l'étirement. Ils ont également mesuré la résistance électrique du LMCO et ont découvert que l'étirement le faisait passer d'un état métallique qui conduit facilement l'électricité à un état isolant, ce qui n'est pas le cas. L'application d'un champ magnétique puissant a modifié l'état magnétique du matériau et l'a également ramené à l'état de métal.
"En tant qu'outil scientifique, c'est vraiment passionnant, " a déclaré Hong. "Cela ouvre des opportunités pour manipuler mécaniquement de larges classes de matériaux d'une manière que nous ne pouvions pas faire auparavant. Et cela nous donne des idées sur la façon dont nous pourrions concevoir des matériaux flexibles pour les appareils électroniques, y compris des capteurs et des détecteurs qui mesurent de très petits changements."
