Pourquoi certains matériaux ferroélectriques présentent-ils un motif en forme de bulle, tandis que d'autres affichent des complexes, motifs labyrinthiques ?

Une étude FLEET révèle que la réponse à l'évolution des modèles dans les films ferroélectriques réside dans la dynamique de non-équilibre, avec des défauts topologiques entraînant l'évolution ultérieure.

Les matériaux ferroélectriques peuvent être considérés comme une analogie électrique avec les matériaux ferromagnétiques, avec leur polarisation électrique permanente ressemblant aux pôles nord et sud d'un aimant.

La compréhension de la physique derrière leurs changements de modèle de domaine est cruciale pour la conception d'une électronique ferroélectrique avancée à basse énergie, ou l'informatique neuromorphique inspirée du cerveau.

Labyrinthine vs bulles :ce que révèlent les motifs

Les modèles de domaine caractéristiques des matériaux ferroélectriques à couche mince sont fortement influencés par le type de matériaux, et par la configuration du film (substrat, électrode, épaisseur, structure, etc).

« Nous voulions comprendre ce qui motive l'émergence d'un modèle plutôt que d'un autre, " explique le Dr Qi (Peggy) Zhang (UNSW), qui a mené des expériences à l'UNSW.

"Par exemple :qu'est-ce qui motive la formation de motifs de domaine en forme de mosaïque, au lieu d'un motif en forme de labyrinthe. Et pourquoi entraînerait un changement ultérieur vers un motif en forme de bulle."

L'équipe de recherche recherchait un cadre commun ou une feuille de route pour conduire de tels arrangements de domaine.

« Y a-t-il une signature topologique dans ces états ? Leur topologie est-elle évolutive ? Et si oui, comment? Ce sont les types de réponses que nous cherchions, ", déclare l'auteur principal, le Dr Yousra Nahas (Université de l'Arkansas).

"Nous avons découvert que l'auto-structuration des domaines polaires ferroélectriques peut être comprise en examinant la dynamique de non-équilibre, et qu'un cadre commun est celui de la cinétique de séparation de phases.

"Nous avons également effectué une caractérisation topologique, et étudié l'évolution du modèle sous un externe, champ électrique appliqué, qui a révélé le rôle crucial des défauts topologiques dans la médiation de la transformation du modèle."

« Les résultats de cette étude établissent une feuille de route (un diagramme de phase des diagrammes de domaine polaire) que les chercheurs peuvent utiliser lorsqu'ils souhaitent « naviguer » à travers la pluralité de phases modulées dans les ferroélectriques de faible dimension, déclare le co-auteur principal, le Dr Sergei Prokhorenko (Université de l'Arkansas).

Cette étude est donc intéressante dans son propre domaine (physique de la matière condensée, ferroélectriques) mais pourrait également être pertinent pour un public interdisciplinaire en ce qui concerne l'universalité des concepts et des résultats.

L'étude

Les chercheurs ont étudié les caractéristiques du domaine et les évolutions du domaine du Pb(Zr 0,4 Ti 0,6 )O 3 (ou « PZT ») grâce à une modélisation approfondie et à une étude expérimentale (microscope à force piézoréponse).

Les chercheurs ont constaté que :

• Le contrôle par champ électrique de la densité de skyrmions provoque une conductance hystérétique, qui pourrait être exploité pour le calcul neuromorphique à l'état solide
• L'ingénierie de l'ordre topologique dans les systèmes ferroïques peut améliorer les propriétés fonctionnelles basées sur la topologie.

"Topology and control of self-assembled domain patterns in low-dimensional ferroelectrics" a été publié dans Communication Nature en novembre 2020.