Une nouvelle famille de matériaux qui pourrait améliorer le stockage des informations numériques et utiliser moins d'énergie pourrait être possible grâce à une équipe de chercheurs de Penn State qui a démontré la ferroélectricité dans l'oxyde de zinc substitué par du magnésium.

Les matériaux ferroélectriques sont spontanément polarisés électriquement parce que les charges négatives et positives dans le matériau tendent vers des côtés opposés et avec l'application d'un champ électrique externe se réorientent. Ils peuvent être affectés par la force physique, c'est pourquoi ils sont utiles pour les allumeurs à bouton-poussoir tels que ceux que l'on trouve dans les grils à gaz. Ils peuvent également être utilisés pour le stockage de données et la mémoire, car ils restent dans un état polarisé sans alimentation supplémentaire, tout comme les solutions de stockage numérique à faible consommation d'énergie.

"Nous avons identifié une nouvelle famille de matériaux à partir de laquelle nous pouvons fabriquer de minuscules condensateurs et nous pouvons définir leur orientation de polarisation de sorte que leur charge de surface soit positive ou négative, " dit Jon-Paul Maria, Penn State professeur de science et d'ingénierie des matériaux, et co-auteur de l'article publié dans le Journal de physique appliquée . "Ce paramètre est non volatile, ce qui signifie que nous pouvons régler le condensateur sur plus, et ça reste plus, nous pouvons le mettre à moins, ça reste moins. Et puis nous pouvons revenir et identifier comment nous avons réglé ce condensateur, à dire, il y a une heure."

Cette capacité pourrait permettre une forme de stockage numérique qui n'utilise pas autant d'électricité que d'autres formes.

« Ce type de stockage ne nécessite aucune énergie supplémentaire, ", a déclaré Maria. "Et c'est important parce que la plupart des mémoires informatiques que nous utilisons aujourd'hui nécessitent de l'électricité supplémentaire pour conserver les informations, et nous utilisons une part substantielle du budget énergétique américain pour l'information."

Les nouveaux matériaux sont fabriqués avec des films minces d'oxyde de zinc substitué par du magnésium. Le film a été développé par dépôt par pulvérisation cathodique, un processus où les ions argon sont accélérés vers les matériaux cibles, l'impactant avec une énergie suffisamment élevée pour libérer les atomes de la cible qui contient du magnésium et du zinc. Les atomes de magnésium et de zinc libérés se déplacent en phase vapeur jusqu'à ce qu'ils réagissent avec l'oxygène et se rassemblent sur un substrat d'oxyde d'aluminium revêtu de platine et forment les films minces.

Les chercheurs ont étudié l'oxyde de zinc substitué par du magnésium comme méthode pour augmenter la bande interdite de l'oxyde de zinc, une caractéristique matérielle clé qui est importante pour la création de semi-conducteurs. Cependant, le matériau n'a jamais été exploré pour la ferroélectricité. Néanmoins, les chercheurs pensaient que le matériau pouvait être rendu ferroélectrique, basé sur une idée de "ferroélectriques partout" posée par Maria et Susan Trolier-McKinstry, Professeur à l'Université Evan Pugh, Steward S. Flaschen Professeur de science et d'ingénierie de la céramique, et co-auteur de l'article.

"En général, la ferroélectricité se produit souvent dans des minéraux complexes d'un point de vue structurel et chimique, " dit Maria. " Et notre équipe a proposé l'idée il y a environ deux ans, qu'il existe d'autres cristaux plus simples dans lesquels ce phénomène utile pourrait être identifié, car il y avait des indices qui nous ont fait proposer cette possibilité. Dire "ferroélectriques partout", c'est un peu un jeu de mots, mais il capture l'idée qu'il y avait des matériaux autour de nous qui nous donnaient des indices, et nous avons ignoré ces indices pendant longtemps."

La carrière de chercheur de Trolier-McKinstry s'est concentrée sur les ferroélectriques, y compris la recherche de meilleurs matériaux ferroélectriques avec des propriétés différentes. Elle a noté que l'Université de Kiel en Allemagne avait trouvé le tout premier de ce type surprenant de matériaux ferroélectriques en 2019 dans les nitrures, mais qu'elle et Maria ont démontré un comportement comparable dans un oxyde.

Une partie du processus suivi par le groupe de Trolier-McKinstry et Maria consiste à développer une figure de mérite, une grandeur utilisée dans les sciences telles que la chimie analytique et la recherche sur les matériaux qui caractérise les performances d'un appareil, matériel ou méthode par rapport aux alternatives.

« Lorsque nous examinons toute demande de matériel, nous concevons souvent une figure de mérite qui indique de quelle combinaison de propriétés de matériaux nous aurions besoin pour une application donnée pour la rendre aussi efficace que possible, " a déclaré Trolier-McKinstry. " Et cette nouvelle famille de ferroélectriques, cela nous donne de toutes nouvelles possibilités pour ces figures de mérite. C'est très attrayant pour les applications pour lesquelles, historiquement, nous n'avons pas eu de grands ensembles de matériaux, donc ce type de développement de nouveaux matériaux a tendance à susciter de nouvelles applications. »

Un avantage supplémentaire des films minces d'oxyde de zinc à substitution magnésium est la façon dont ils peuvent être déposés à des températures beaucoup plus basses que les autres matériaux ferroélectriques.

« L'écrasante majorité des matériaux électroniques sont préparés à l'aide de températures élevées, et des températures élevées signifient de 300 à 1000 degrés Celsius (572 à 1835 degrés Fahrenheit), " a déclaré Maria. " Chaque fois que vous fabriquez des matériaux à des températures élevées, cela vient avec beaucoup de difficultés. Il s'agit généralement de difficultés d'ingénierie, mais néanmoins, ils rendent tout plus difficile. Considérez que chaque condensateur a besoin de deux contacts électriques - si je prépare ma couche ferroélectrique à haute température sur au moins un de ces contacts, à un moment donné, une réaction chimique indésirable se produira. Donc, quand on peut faire des choses à basse température, vous pouvez les intégrer beaucoup plus facilement."

La prochaine étape pour les nouveaux matériaux est de les transformer en condensateurs d'environ 10 nanomètres d'épaisseur et de 20 à 30 nanomètres de dimensions latérales, ce qui est un défi d'ingénierie difficile. Les chercheurs doivent créer un moyen de contrôler la croissance des matériaux afin qu'il n'y ait pas de problèmes tels que des imperfections dans les matériaux. Trolier-McKinstry a déclaré que la résolution de ces problèmes sera essentielle pour savoir si ces matériaux sont utilisables dans les nouvelles technologies - téléphones portables dotés de puces qui consomment beaucoup moins d'énergie, permettant un fonctionnement soutenu pendant une semaine ou plus.

"Lors du développement de nouveaux matériaux, vous devez découvrir comment ils échouent, puis comprendre comment atténuer ces mécanismes de défaillance, " a déclaré Trolier-McKinstry. " Et pour chaque application, vous devez décider quelles sont les propriétés essentielles, et comment vont-ils évoluer dans le temps. Et jusqu'à ce que vous ayez fait quelques mesures là-dessus, vous ne savez pas quels seront les grands défis, et la fiabilité et la facilité de fabrication sont énormes pour savoir si ce matériau se retrouve dans votre téléphone portable dans cinq ans. »